一種嵌入式系統的內存分配方案

MemLib庫中提供了增強的內存分區管理工具，并且增加了一些接口，而且可以設置調試選項?？梢詸z測2類(lèi)錯誤：

①?lài)L試分配太大的內存;

②釋放內存時(shí)發(fā)現壞塊。

有4種錯誤處理選項，當發(fā)生錯誤時(shí)記錄消息或掛起任務(wù)。 但是，使用動(dòng)態(tài)內存分配malloc/free時(shí)要注意到以下幾方面的限制。

①因為系統內存分區是一種臨界資源，由信號量保護，使用malloc會(huì )導致當前調用掛起，因此它不能用于中斷服務(wù)程序;

②因為進(jìn)行內存分配需要執行查找算法，其執行時(shí)間與系統當前的內存使用情況相關(guān)，是不確定的，因此對于有規定時(shí)限的操作它是不適宜的;

③由于采用簡(jiǎn)單的最先匹配算法，容易導致系統中存在大量的內存碎片，降低內存使用效率和系統性能。 針對這種情況，一般在系統設計時(shí)采用靜態(tài)分配與動(dòng)態(tài)分配相結合的方法。也就是對于重要的應用，在系統初始化時(shí)分配好所需要的內存。在系統運行過(guò)程中不再進(jìn)行內存的分配/釋放，這樣就避免了因內存的分配釋放帶來(lái)的總是。而且在系統初始化，因為沒(méi)有內存碎片，對于大的內存塊的需求容易滿(mǎn)足。對于其它的應用，在運行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)內存分配。尤其是某些應用所要求的大量固定尺寸的小內存塊，這時(shí)就可以采用一次分配多次使用的內存分配方案。下面詳細介紹這種內存分配方案及其應用場(chǎng)合。

4 一次分配多次使用的內存分配方案

在嵌入式系統設計中，經(jīng)常有一些類(lèi)似于內存數據庫的應用。這些應用的特點(diǎn)是在內存中管理一些樹(shù)，比如以太網(wǎng)交換機中的MAC地址表、VLAN表等，或者路由器中的路由表。這些樹(shù)是由許多相同尺寸的節點(diǎn)組成的。這樣，就可以每次分配一個(gè)大的緩沖池，比如包含多個(gè)內存單元的數組，每個(gè)內存單元用于1個(gè)節點(diǎn)。我們用一個(gè)空閑鏈表來(lái)管理該數組中的空閑內存單元。每次程序需要分配內存以創(chuàng )建1個(gè)新的節點(diǎn)時(shí)，就從空閑鏈表中取1個(gè)單元給調用者。程序刪除節點(diǎn)并釋放內存時(shí)，將釋放的內存單元返還給空閑鏈表。如果鏈表中的空閑內存單元取空了，就再次調用malloc從系統內存中分配一個(gè)大的內存塊作為新的緩沖池。

采用這樣一種方案主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

①減少了malloc/free的調用次數，從而降低了風(fēng)險，減少了碎片;

②因為從緩沖池中取一個(gè)內存單元是時(shí)間確定的(當然，如果緩沖池耗盡從而需要重新調用malloc分配除外)，因此它可以用于嚴格時(shí)限的場(chǎng)合從而保證實(shí)時(shí)性;

③它給用戶(hù)以自由來(lái)添加一些用于內存分配和釋放的調試函數以及一些統計功能，更好地監測系統中內存的使用情況。

這種方案必然涉及到一個(gè)緩沖池的結構。

一般緩沖池的結構由以下幾部分組成：?jiǎn)卧叽?、塊尺寸(或者單元數目)、緩沖池指針、空閑鏈表、用于統計和調試的參數等。對緩沖池的操作包括創(chuàng )建緩沖池、釋放緩沖池、從緩沖池中分配1個(gè)內存單元、釋放內存單元回緩沖池等。下面舉2個(gè)例子說(shuō)明一下該方案的具體使用情況。

4.1 Intel交換機驅動(dòng)程序中內存分配

4.1 Intel交換機驅動(dòng)程序中內存分配

在以Intel的交換芯片為基礎的交換機方案中，因為采用的是軟件地址學(xué)習的方式，需要在內存中維護許多數據，如MAC地址表的軟拷貝、VLAN表、靜態(tài)單播地址表、組播地址表等。這些表都是由一些樹(shù)組成，每個(gè)樹(shù)由一些固定尺寸的節點(diǎn)組成。一般每個(gè)節點(diǎn)幾十個(gè)字節，每棵樹(shù)的節點(diǎn)數是可增長(cháng)的，少則幾十，最多可到16K個(gè)節點(diǎn)。

因此，很適合于采用該方案，具體的實(shí)現如下：

(1)緩沖池結構 BlockMemMgr typedef struct{ MemSize data_cell_size; /*數據單元的尺寸*/ MemSize block_size; /*塊尺寸*/ /*下面的變量為預定義的每個(gè)管理器最多包含的塊數，如64 MAX_BLOCKS_OF_MEM_SIZE*/ Unsigned short blocks_being_used;/*已使用的塊數*/ Void mem_ptr[PAX_BLOCKS_OF_MEM_SIZE]; /*塊數組*/ SLList free_data_cells_list; /*空閑鏈表*/ }BlockMemMgr; 結構中的參數包括：?jiǎn)卧叽?、塊尺寸、已用塊數、所有塊的地址、空閑鏈表(單向鏈表)。

(2)緩沖池的管理函數

◆block_mem_create：創(chuàng )建塊內存管理器，參數包括內存指針(如為NULL，表示自己分配)、塊尺寸、單元尺寸、返回管理器指針。 過(guò)程如下：

①檢驗參數合法性。

②單元尺寸4字節對齊，計算每個(gè)塊中的單元數。對內存指針進(jìn)行4字節對齊或者分配內存指針。

③初始化結構BlockMemMgr，包括單元尺寸和塊尺寸。設置第1個(gè)內存塊的指針。如果內存是外來(lái)的，設置塊已用標志(已用為0)，表示不能增加塊;否則，已用塊數設為1。

④創(chuàng )建空閑鏈表，將塊內所有單元添加到鏈表中，最后一個(gè)單元處于鏈表的最前面。

⑤返回BlockMemMgr。

◆block_mem_destroy：解構一個(gè)塊內存管理器，釋放它所分配的所有內存，調用者負責外部?jì)却娴尼尫?。參數為BlockMemMgr。返回成功失敗標志。

①參數合法性檢測。

②刪除單向鏈表(設鏈表指針為NULL)。

③如果塊是動(dòng)態(tài)分配的，釋放它們。 ④釋放結構BlockMemMgr。

◆block_malloc：從塊內存管理器中分配1個(gè)單元

◆block_malloc：從塊內存管理器中分配1個(gè)單元。參數為BlockMemMgr，返回數據單元指針。

①參數合法性檢測。

②判斷空閑鏈表是否為空(是否為NULL)。如果為空，判斷是否可以動(dòng)態(tài)分配塊，如果不能，返回失敗;如果可以動(dòng)態(tài)分配塊，則分配1個(gè)塊，執行與 block_mem_create一樣的操作。

③從空閑鏈表中分配第1個(gè)單元，返回其指針。 注意這里有一個(gè)小技巧，即數據單元在空閑時(shí)其中存放空閑鏈表的節點(diǎn)信息，而分配后則存放數據內容。

◆block_free：釋放1個(gè)數據單元，返回塊內存管理器。小心不要對1個(gè)單元釋放2次。參數為BlockMemMgr和單元指針。 ①參數合法性檢測。 ②地址比較，判斷數據單元屬于哪個(gè)塊。 ③判斷數據單元的內容是否為空閑鏈表節點(diǎn)信息(也就是塊內某單元的地址)，從而確定是否為2次釋放。 ④將該數據單元插入到空閑鏈表的前面。 ⑤引用該單元的指針設為NULL。 內存管理代碼遵守如下約定：①管理的內存是實(shí)際可寫(xiě)的內存;②分配內存是4字節或32位對齊;③block_malloc、block_free在中斷級調用是部分安全的，除非BLOCK中已經(jīng)沒(méi)有空閑CELL，需要重新調用malloc分配新的BLOCK(而malloc和free就不是安全的，因為其中使用了信號量和搜索算法，容易引起中斷服務(wù)程序阻塞)。當然，block_mem_create和block_mem_destroy必須在進(jìn)程級調用。