Nucleus操作系統內存池模塊移植的研究與應用

1.1 靜態(tài)內存池的創(chuàng )建
池頭中的主要參數包括內存池控制塊指針、內存池名（只取8個(gè)字符）、起始地址、內存池總大?。ㄗ止潪閱挝唬?、內存池分塊大?。ㄗ止潪閱挝唬?、掛起方式（先進(jìn)先出或按優(yōu)先級）等，圖2是仿真器上運行過(guò)程中靜態(tài)內存池結構體截圖。
對圖2中兩個(gè)結構體鏈表參數說(shuō)明如下：(1)pm_created：當前已經(jīng)創(chuàng )建的內存池，采用雙向循環(huán)鏈表連接，插入方式是在最后一個(gè)節點(diǎn)和首節點(diǎn)間填充；(2)pm_available_list：存儲當前還可用partition的鏈表，結構與塊的頭部結構header_ptr相同（PM_OVERHEAD=8 B小塊的頭header_ptr：?jiǎn)蜗蜴湵?，內部有指向下一小塊的指針和所屬大塊的控制塊地址）。

在Nucleus內核中，內存池的創(chuàng )建主要由函數PMC_Create_Partition_Pool負責，創(chuàng )建流程如下：調用過(guò)程中首先進(jìn)行參數合法性檢測；然后在池頭（控制塊）中寫(xiě)入各個(gè)參數，創(chuàng )建鏈表；之后是一個(gè)重要的循環(huán)體，負責初始化partition鏈表，分配所有的partition，每個(gè)partition的大小在分配時(shí)需要在函數傳入參數值的基礎上加8 B，用來(lái)存儲header_ptr；最后在內存池線(xiàn)程保護后將新的內存池插入內存池鏈表并計數。
1.2 靜態(tài)內存池的分配
在TD-LTE無(wú)線(xiàn)綜合測試儀中分配前由協(xié)議棧提供所需要分配的大小，這里主要是放置協(xié)議內部配置信息與層間交互原語(yǔ)。由于這些信息的大小固定，只是有幾種不同大小的固定模式，所以很適合采用靜態(tài)分配的方式來(lái)分配內存，只需要根據數據大小選擇密度合適的內存池即可。移植過(guò)程中使用了不同大小的partition構建不同密度的內存池，因此，可根據申請partition的大小來(lái)判定用那種密度的內存池，以減少內部碎片的大小。這種方法可以有效避免空間浪費[3]，同時(shí)又可提高分配效率。
在Nucleus內核中靜態(tài)內存池的分配主要由函數PMC_Allocate_Partition負責，其主要參數為內存池指針（指向調用的內存指針，不能為NULL，設置為可用內存地址即可）、分配大小和掛起標志位。函數中主要判斷內存池指針是否合法、內存池與partition是否匹配、指向調用的內存指針是否合法、任務(wù)掛起標志位是否有效。其分配流程如圖3所示。過(guò)程如下：調用內核函數TCT_System_Protect(TCT_Protect)保護內存池同步互斥通道。判斷是否還有可用partition，若有，則將可用數量減1、分配數量加1并更新pm_available_list以及將指向調用內存指針賦值為當前分配的partition地址(partition地址要+8 B刪去頭)；若沒(méi)有，則將任務(wù)掛起直至有可用Partition才恢復。最后解保護并返回。

1.3 靜態(tài)內存池的釋放
系統采用PMC_Deallocate_Partition函數來(lái)完成釋放。流程如下：調用內核函數保護內存池同步互斥通道。判斷是否有等待任務(wù)，若有，則分配給這個(gè)任務(wù)當前partition，再判斷當前任務(wù)是否允許被搶占，允許就調用TCT_Control_To_System搶占當前任務(wù)、激活等待內存的任務(wù)；若沒(méi)有，則等待任務(wù)，將當前partition重新接入到可用partition列表的頭部。最后調用TCT_Unprotect解保護。
2 動(dòng)態(tài)方式分配內存池
動(dòng)態(tài)內存池也分為池和塊兩個(gè)部分，動(dòng)態(tài)池直接由雙向循環(huán)鏈表實(shí)現連接。內部塊是動(dòng)態(tài)分配的，由最小可分配空間來(lái)限制塊的最小值。與靜態(tài)分配不同，動(dòng)態(tài)分配塊也由雙向循環(huán)鏈表來(lái)鏈接。創(chuàng )建時(shí)的初始結構為兩個(gè)塊，在申請時(shí)動(dòng)態(tài)分割。圖4是仿真器上運行過(guò)程中動(dòng)態(tài)內存池與塊的結構體截圖。

池控制塊結構中dm_memory_list與塊頭結構體相同，池通過(guò)dm_memory_list來(lái)完成塊搜索；塊頭結構中dm_memory_pool與大塊頭結構相同，通過(guò)它來(lái)比配大塊。
2.1 動(dòng)態(tài)內存池的創(chuàng )建
初始化完成時(shí)的內存結構：初始化創(chuàng )建完成時(shí)內存池中有2個(gè)塊，1個(gè)大小為總大小減去32 B，包含自己的頭DM_OVERHEAD=16 B，設置為可以狀態(tài)free=‘0x01’；1個(gè)大小為16 B，只有自己的頭，沒(méi)有空間，設置為不可以狀態(tài)free=‘0x00’。因此，此時(shí)的可用空間為除去池的控制塊外的總大小減去32 B。初始化結構如圖5所示（沒(méi)有將池控制塊表示出來(lái)）。

創(chuàng )建時(shí)，首先為控制塊指針賦值，內存池大小與最小分區大小進(jìn)行字對齊校正；判斷控制塊指針、起始地址、最小分配空間、掛起標志是否合法。創(chuàng )建過(guò)程如下：初始化控制塊中的各個(gè)參數，并按圖5初始化小塊、創(chuàng )建小塊雙向循環(huán)鏈表，與靜態(tài)分配相同需要先進(jìn)行線(xiàn)程保護再加入到池動(dòng)態(tài)內存池鏈表。
2.2 動(dòng)態(tài)內存池的申請
動(dòng)態(tài)申請主要用于操作系統內模塊(如任務(wù)、隊列等)的堆棧分配與模塊占用空間的分配。由于在TD-LTE無(wú)線(xiàn)綜合測試儀中這些分配的空間大小浮動(dòng)不定，因此需要使用動(dòng)態(tài)分配內存。Nucleus中動(dòng)態(tài)分配采用首次匹配原則，每一次申請內存時(shí)動(dòng)態(tài)分配申請大小加16 B(這個(gè)16 B的頭對應剩下的可用空間)的內存池空間，并把分配過(guò)的部分設置為不可用狀態(tài)free=‘0x00’。
負責實(shí)現的函數是DMC_Allocate_Memory。首先進(jìn)行各種參數的合法性檢測，然后將分配空間size小于最小分配空間的分配空間大小賦值為最小空間，對size進(jìn)行字對齊處理，調用線(xiàn)程保護后采用首先匹配法來(lái)找適用空間，即：在循環(huán)體中先判斷free標志，是空閑塊(free=‘0x01’)，則算出減去本次分配的頭后所剩的空間，當此空間大于本次請求size時(shí)進(jìn)行分配，小于時(shí)則移動(dòng)到下一個(gè)塊；若不是空閑塊，則直接把剩余空間設置為0進(jìn)行后面小于size時(shí)移動(dòng)到下一個(gè)塊的判斷。注意：這里用到了控制塊中的dm_search_ptr屬性（結構與小塊的頭相同），該屬性用于記錄開(kāi)始匹配的起始位置，作為判斷循環(huán)體結束的條件之一，如果循環(huán)到此處，就表示沒(méi)有找到可分配空間。圖6是動(dòng)態(tài)分配的流程圖。

循環(huán)結束后判斷是否找到可用于分配的塊，若找到則進(jìn)行是否需要分割該可用塊的判斷。條件是這個(gè)可用塊的大小大于或等于本次所需空間size+頭大小+最小分配空間的值，若滿(mǎn)足此條件則分割出一個(gè)新塊并對其加頭初始化，再計算出剩余可用空間；不滿(mǎn)足此條件則直接計算剩余可用空間。分配的空間標志為非空閑后，把所分配空間的地址賦給指向調用的內存指針（注意去頭）。為提高效率，還需要進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單處理，即判斷如果在搜索塊時(shí)一次性匹配成功，則將dm_search_ptr移向下一個(gè)塊。
如果沒(méi)有找到可用塊則將任務(wù)掛起等待，沒(méi)有采用掛起模式則直接返回NULL給指向調用的內存指針，最后調用TCT_Unprotect解保護。圖7是分配第一塊內存后動(dòng)態(tài)內存池的結構。

2.3 動(dòng)態(tài)內存池的釋放
釋放過(guò)