Keil C動態(tài)內(nèi)存管理機制分析及改進(jìn)
1 相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、變量及說明
在Keil C安裝目錄下的＼c5l＼lib目錄下，有實現(xiàn)init_mempool、mallloe和free這3個函數(shù)的C源文件init_mere．c、malloc．e和free．c。下面針對keil C7．5A版，將其中與動態(tài)存儲管理相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)介紹如下；
該結(jié)構(gòu)的next指向堆中的下一空閑內(nèi)存塊，len表示該空閑塊除去該塊首部的struct__mem__結(jié)構(gòu)所占的字節(jié)數(shù)后，該塊實際可用的字節(jié)數(shù)。由于next是一個指向XDATA區(qū)的指針，故在Keil C中應(yīng)用程序所定義的堆空間應(yīng)在XDATA段中定義。
在Keil C中，堆中的所有空閑內(nèi)存塊是用一個單鏈表來管理的，struct_mere_即為該鏈表結(jié)點的結(jié)構(gòu)，后面定義的宏AVAIL為該鏈表的首結(jié)點，為敘述方便，以下將該鏈表稱為AVAIL鏈表。
#define AVAIL(__meM_avaiL_[O])
全局?jǐn)?shù)組__meM_ avail_實際也是struct__mem__類型，__mem_avail__[O]的next指向堆中首塊空閑塊。如果堆中已無空閑內(nèi)存塊，則__mem_avail__[0]的next為NULL(0值)。為使程序代碼簡潔，定義了宏AVAIL來代替__mem_avail__[O]。
2 init_mempool函數(shù)剖析
函數(shù)int_mempool(void_MALLOC_MEM_*
pool，unsigned int size)失敗時將返回0，成功則返回一1，參數(shù)pool指向應(yīng)用程序定義的堆空間，參數(shù)size為堆空間的字節(jié)數(shù)。如果應(yīng)用程序提供的堆空間太小(size的值太小)，將失去實際意義，故函數(shù)將返回0表示失敗。當(dāng)size參數(shù)足夠大，則會初始化AVAIL(即_mem_avail__[O])，使其next域指向pool參數(shù)所指向的堆空間，len域為pool參數(shù)所指向的堆空間的總字節(jié)數(shù)size。其在KeilC 7．5A庫中init_mem．C的源代碼如下：
在成功執(zhí)行init_mempool函數(shù)后，將得到如圖1所示的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。另外，鏈?zhǔn)捉Y(jié)點AVAIL的len域記錄了整個堆的字節(jié)數(shù)。鏈?zhǔn)譇VAIL結(jié)點的next域指向的是首塊空閑塊，當(dāng)經(jīng)過多次的malloe函數(shù)而堆中投有空閑內(nèi)存塊時，AVAIL結(jié)點的next域?qū)镹ULL值。
很明顯，從上面的if(pool==NULL){pool=1；size--；)這部分源代碼來看，如果應(yīng)用程序中pool參數(shù)為空指針(pool為0)時，顯然不能直接將AVAIL，的next域的值賦為空指針的(即賦為O)。將pool的值改為1，再將size的值減l，這樣，init_mempool函數(shù)會在XDATA區(qū)中，從地址l開始，取size一1個字節(jié)作為堆來使用。如果源程序有定義在XDATA區(qū)的變量，則這些變量所占的存儲單元也可能會被當(dāng)成堆空間的一部分，這無疑是有潛在風(fēng)險的。
部分程序員在調(diào)用init_mempool函數(shù)時，習(xí)慣將pool參數(shù)設(shè)為一個形如0xAAAA數(shù)字表示的絕對地址，如果不加特別防范，也是不妥的，因為Keil C可能會在此方式指定的堆空間中分配臨時變量。好的習(xí)慣是定義一個字節(jié)數(shù)組作為堆空間，再將數(shù)組名作為pool參數(shù)調(diào)用init_mempool函數(shù)。
在Keil C的聯(lián)機文檔中，指明了init_mempool在應(yīng)用程序中只能被調(diào)用一次，那么，如果多次調(diào)用該函數(shù)又會有什么后果呢?從該函數(shù)的源代碼來分析，多次調(diào)用init_mempoo1函數(shù)，會導(dǎo)致重新初始化首結(jié)點AVAIL的next域和len域的值，將使AVAIL鏈表中的原有管理信息丟失，從而導(dǎo)致一些很難診斷的問題。
對此問題，可采用如下保護(hù)措施。當(dāng)發(fā)現(xiàn)AVAIL鏈表中已有管理信息時，則返回失敗標(biāo)志，函數(shù)直接返回。具體的方法是檢查AVAIL結(jié)點的len域，由于其被初始化為零，如果發(fā)現(xiàn)其值非零，則表明init_mempool函數(shù)已被成功調(diào)用過，此時函數(shù)直接返回。
3 malloc函數(shù)分析
malloc函數(shù)的原形是void *malloc(unsigned intsize)，size參數(shù)為需動態(tài)申請的內(nèi)存塊的字節(jié)數(shù)。
malloc函數(shù)的算法是查找AVAIL鏈表中各結(jié)點next指針?biāo)赶虻目臻e內(nèi)存塊。如果某塊的空閑字節(jié)數(shù)≥size參數(shù)，則停止查找，并從該塊進(jìn)行內(nèi)存分配，返回一個指向所分配內(nèi)存塊的指針給應(yīng)用程序。如果沒有找到符合要求的空閑內(nèi)存塊，則返回空指針給應(yīng)用程序。
需要注意的是，AVAIL鏈表中除首結(jié)點AVAIL外，其余各節(jié)點位于堆中各空閑內(nèi)存塊開始處的一個struct__mem__結(jié)構(gòu)中，其len域為該空閑塊總字節(jié)數(shù)減去sizeof(stiuct__mem)后的值，即該塊實際空閑的字節(jié)數(shù)；next域指向堆中下一空閑內(nèi)存塊。
設(shè)鏈表節(jié)點p指向所找到的空閑內(nèi)存塊，如果在p空閑塊分配size個字節(jié)后，剩余的字節(jié)數(shù)不多，則將p塊從AVAIL鏈表中刪除，然后返回一個指向p塊偏移sizeof(struct__mem)處的指針。如果在p空閑塊分配size個字節(jié)后，該塊仍剩余較多的字節(jié)數(shù)，則需對該塊進(jìn)行分割，將多出的這一部分保留在AVAIL鏈表中。(以下部分有省略，全文請見本刊網(wǎng)站——編者注)
4 free函數(shù)分析及改進(jìn)
free函數(shù)的原形是void free(void xdata *memp)，參數(shù)memp指向所要釋放的內(nèi)存塊。
在AVAIL鏈表中，各結(jié)點是按其所指空閑內(nèi)存塊開始地址的大小按升序排列的。free函數(shù)的算法是在AVAIL鏈表中查一個節(jié)點p(其前驅(qū)為q)，當(dāng)p節(jié)點所指空問內(nèi)存塊的地址大于參數(shù)memp所指內(nèi)存塊的起始地址時，則將memp塊插入到該節(jié)點之前，如沒有找到這樣的節(jié)點，則memp塊插到鏈尾。在插入memp塊時，還將檢查在memp塊的前后是否存在地址相鄰的空閑內(nèi)存塊，如果有，則將memp塊與相鄰塊合并。(free庫函數(shù)的部分源代碼見本刊網(wǎng)站——編者注)
值得探討的是最后一段將memp塊與前一塊(q塊)合并的這部分代碼。如果在執(zhí)行此部分代碼之前，q指向首結(jié)點AVAIL，而此時欲將q塊與memp塊合并，顯然是不合理的。實際上，此時應(yīng)當(dāng)將q的next指針的值設(shè)為memp塊的開始地址p0。由于KeilC7．5A中，free庫函數(shù)的源程序中沒有考慮這種特殊情況，因此可能會引發(fā)嚴(yán)重后果。
由源代碼分析可知，q指向首結(jié)點AVAIL，而此時如果滿足。memp塊與q塊合并的判定條件，執(zhí)行q>1en+=p0一>Len+HL，EN和q一>next=pO一>next后，不但不能回收內(nèi)存，反而導(dǎo)致memp塊丟失；同時，AVAIL的len域的值也不正確。如果此時pO一>next又為NULL，則會導(dǎo)致整個堆內(nèi)存的丟失。
筆者特在Keil C7．5 A版中設(shè)計了一個示例(見本刊網(wǎng)站)，用于引發(fā)該錯誤。要防止這種錯誤，只需將if((((char_MALLOC_MEM_*)q)+q一>len+HLEN)==pO)判定語句改為if((q!=＆AVAIL)&&(((char_MALLOC_MEM_*)q)+q一>len+HLEN)==p0)即可。有興趣的可通過電子郵件與筆者聯(lián)系(cqdoml@sina．com)。
編者注：本文為期刊縮略版，全文見網(wǎng)站www．mesnet．com．cn。
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