R TOS動(dòng)態(tài)分區內存管理機制的優(yōu)化設計

1 動(dòng)態(tài)分區內存管理機制
1．1 動(dòng)態(tài)分區內存管理概述
在許多小型嵌入式系統中并未實(shí)現虛擬內存機制，動(dòng)態(tài)分區內存管理機制仍然是首選。分區存儲管理是滿(mǎn)足多道程序設計的最簡(jiǎn)單的存儲管理方法，它允許多個(gè)用戶(hù)程序同時(shí)存在系統內存中，即共享內存空間。早期的分區存儲管理采用固定分區的方法，把內存空間分成若干個(gè)大小不等的區域，稱(chēng)為分區。每個(gè)用戶(hù)程序(作業(yè)、進(jìn)程)調入內存后，占用其中1個(gè)分區，程序運行完成后釋放該分區。這種存儲管理方法的主要問(wèn)題是內存使用效率極低，很快就被淘汰了。取而代之的是動(dòng)態(tài)分區存儲管理技術(shù)。圖1顯示的是動(dòng)態(tài)內存管理的數據結構。

1．2 動(dòng)態(tài)分區內存分收算法及其性能分析
在動(dòng)態(tài)內存分配機制中一般采用兩種設計方案：最佳適應算法和首次適應算法。最佳適應算法要求所有的空閑內存塊按照內存塊的大小，由小到大鏈接在一起。首次適應算法中所有的空閑內存塊都是按地址由小到大鏈接的。圖2顯示了這2種算法的流程(假設系統申請的內存塊大小為n)。

最佳適應算法和首次適應算法在分配內存的流程上是一致的，然而由于空閑內存塊的組織形式不同，其分配的性能也不盡相同。最佳適應算法由于每次分配都是首先分配與所要求的內存塊大小最接近的空閑內存塊，因而其內存利用率相對較高。然而由于在內存回收過(guò)程中需要合并那些地址相鄰的空閑塊，最佳適應算法往往需要遍歷整個(gè)空閑區鏈表以尋找符合條件的內存塊。而首次適應算法由于是按照地址的順序相連，因而在內存回收方面有著(zhù)最佳適應算法無(wú)法比擬的性能。
圖3顯示了在幾種不同情況下，動(dòng)態(tài)分區內存回收機制所采取的策略。

在A(yíng)中，釋放區回收后合并成新內存塊f，其首地址為f1內存塊的首地址，大小為f1和R內存塊的大小之和。在B中，釋放區回收后合并成新內存塊f，其首地址為R內存塊的首地址，大小為f1和R內存塊的大小之和。在C中，釋放區回收后合并成新內存塊f，其首地址為f1內存塊的首地址，大小為f1和R以及f2內存塊的大小之和。在D中，釋放區回收后不進(jìn)行合并，直接插入空閑區鏈表并返回。
動(dòng)態(tài)分區內存的分配機制有效地避免了內存內部碎片的存在，同時(shí)在內存回收策略中使用合并算法也極大地減少了內存外部碎片存在的可能性。然而，當系統需要分配大量的小塊內存時(shí)，動(dòng)態(tài)分區內存管理機制的性能卻并不令人滿(mǎn)意。其不足之處主要存在以下2個(gè)方面：
①當系統分配大量的小塊內存后，其空閑區表或空閑區隊列將會(huì )變得異常龐大。無(wú)論是首次適配算法還是最佳適應算法都需要遍歷空閑區搜索合適的內存塊，因此過(guò)于龐大的空閑區結構使搜索算法變得低效。
②系統在某些特定的時(shí)刻往往會(huì )對大量的小塊內存進(jìn)行頻繁分配和回收。頻繁地對小塊內存進(jìn)行分割分配和合并回收，其實(shí)時(shí)性表現得并不令人滿(mǎn)意。
基于以上2點(diǎn)，如何在動(dòng)態(tài)分區內存管理機制的基礎上優(yōu)化小塊內存的管理機制，成為提高動(dòng)態(tài)分區內存管理性能的關(guān)鍵因素之一。

2 小塊內存動(dòng)態(tài)緩存分配機制
大部分實(shí)時(shí)操作系統內存分配機制并未對大塊內存和小塊內存的分配做出不同的算法設計，然而在實(shí)際分配過(guò)程中，很難用一種分配算法兼顧大小內存的高效分配。針對動(dòng)態(tài)分區內存管理機制中對小塊內存分配的局限性，提出了小塊內存動(dòng)態(tài)緩存機制。該機制在繼承了動(dòng)態(tài)分區管理機制優(yōu)良性能的同時(shí)，優(yōu)化了小塊內存的管理，對內存管理的實(shí)時(shí)性和高效性都有一定提高。系統中同時(shí)存在2種內存數據結構，分別為小塊內存和大塊內存設計。大塊內存依舊采取動(dòng)態(tài)分區內存管理機制，而小塊內存采取動(dòng)態(tài)緩存分配。小塊內存數據結構如圖4所示。