實(shí)時(shí)系統中動(dòng)靜結合的內存管理實(shí)現

摘要：提出了實(shí)時(shí)系統中內存管理的一種實(shí)現方法。該方法采用動(dòng)靜結合的方式，給用戶(hù)提供了比較大的自由度，同時(shí)也提高了系統的靈活性。本文主要從實(shí)現方面進(jìn)行了詳細闡述。

關(guān)鍵字： 實(shí)時(shí)系統  內存管理  面向對象

　　1. 實(shí)時(shí)系統內存分配

　　實(shí)時(shí)系統分為硬實(shí)時(shí)系統和軟實(shí)時(shí)系統。硬實(shí)時(shí)系統是指系統中各任務(wù)不僅要執行無(wú)誤而且要做到準時(shí)；軟實(shí)時(shí)系統是指系統中各任務(wù)運行的越快越好，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(cháng)時(shí)間內完成。

　　可以看出動(dòng)態(tài)內存分配是絕對不能用于硬實(shí)時(shí)系統的，因為動(dòng)態(tài)分配具有時(shí)間不確定性（分配時(shí)間與內存塊數量有關(guān)），而且動(dòng)態(tài)分配可能產(chǎn)生分配不成功的情況。所以對于硬實(shí)時(shí)系統，只能采用靜態(tài)內存分配方式。靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時(shí)將程序所需的內存空間分配好，這樣不會(huì )出現分配失敗的情況。

　　其實(shí)對于大多數實(shí)時(shí)系統而言，內存分配都是采用兩種方式的結合，即動(dòng)靜結合的分配方式。

　　2. 動(dòng)靜結合內存分配的一種實(shí)現

　　對于整個(gè)內存，把它分為4個(gè)部分，即中斷向量區、系統映射區、系統內存區和用戶(hù)內存區。如圖1所示。

　　其中中斷向量表和系統映射區在編譯時(shí)已經(jīng)設定好，即采用靜態(tài)分區的方式。剩下的兩個(gè)部分可以按用戶(hù)要求配置。

　　2.1 系統內存區分區

　　對于整個(gè)系統內存區，還需要要進(jìn)行分區操作，使它產(chǎn)生多個(gè)分區，每個(gè)分區中內存塊的大小相等，各個(gè)分區之間內存塊大小不等。這樣來(lái)滿(mǎn)足多種內存申請需求。

　　2.1.1 系統分區類(lèi)結構定義

　　系統建立了一個(gè)內存塊結構，它由一個(gè)指向下一個(gè)內存塊的指針構成，因為系統使用單向鏈表來(lái)管理空閑內存塊，所以必須用每個(gè)內存塊的這個(gè)指針來(lái)讓所有的空閑內存塊連成一個(gè)鏈表。                               

　　結構如下:
　　struct memblock
　　{
　　void * next;
　　};

　　對于內存分區，采用面向對象的方式，這樣減少了全局變量的使用，同時(shí)提高了可操作性。系統建立了內存分區類(lèi)結構。它包含了該分區的信號量、內存區的起始地址、內存塊大小、內存塊數量、空閑內存塊數量、空閑內存塊鏈表和鏈表尾部等。類(lèi)結構定義如下：

　　class mempartition
　　{
　　private:
　　semphore s;          //控制該內存分區的信號量
　　public:
　　long *start;         //塊起始位置
　　void *freeulist;     //空閑內存塊鏈表 
　　void *tail;          //空閑內存塊鏈表尾部 
　　int unitsize;        //內存塊大小
　　short unitnum;       //內存塊數量
　　short freeunum;      //空閑內存塊數量
　　mempartition();      //初始化鏈表、信號量
　　void *GetUnit();        //獲取內存塊
　　void PutUnit(void *);   //釋放內存塊
　　};

　　因為每個(gè)內存分區都是多任務(wù)共享的，每次只能有一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)程序進(jìn)入該內存分區，所以需要設置信號量來(lái)管理它，當然也可以采用關(guān)中斷的方式，關(guān)中斷可能導致中斷響應延遲等問(wèn)題，所以沒(méi)有采用這種方式。

　　2.1.2 系統分區的實(shí)現

　　通過(guò)Partition_Create()函數創(chuàng )建一個(gè)內存分區，函數定義為
　　int Partition_Create(mempartition *mp,unsigned int unum,unsigned int usize);

　　mp為創(chuàng )建的內存分區，unum為該分區中內存塊數量，usize為內存塊大小。函數流程圖如圖2所示。

　　對于塊內存的申請，采用c語(yǔ)言提供的malloc函數從內存中申請。這對于程序設計者而言提供了極大的方便，對于系統分區不適合嵌入式應用（該實(shí)時(shí)系統設計應用于嵌入式設備中）需求的情況下，可以刪除該分區另外再建立。不過(guò)這樣做的情況應該盡可能少，因為多次調用malloc/free會(huì )產(chǎn)生較多的內存碎片。在做設計時(shí)，應該盡可能預先設定好分區數量和各個(gè)分區中內存塊的數量和大小，盡管系統提供了重建分區的功能。

　　每個(gè)塊內存的第一部分存儲該分區對象，其后才是各個(gè)內存塊。在內存塊空閑時(shí)，其內部存儲了下一個(gè)節點(diǎn)的的指針。分配以后，該信息丟失，直接分配給申請者，這樣省掉了存儲每個(gè)內存塊信息額外的RAM開(kāi)銷(xiāo)。內存釋放時(shí)，直接加到該分區空閑內存鏈表的尾部，同時(shí)設定下一個(gè)節點(diǎn)內存塊信息為NULL。這樣在多次分配與釋放后，內存塊的位置會(huì )發(fā)生比較大的變化。

　　系統設置了一個(gè)全局鏈表 mempartion **partition_list 來(lái)存儲所有的內存分區指針，該鏈表的長(cháng)度可以動(dòng)態(tài)定義。也就是說(shuō)分區的數量可以動(dòng)態(tài)定義。鏈表中的分區需要進(jìn)行排序，排序的標準是每個(gè)分區中內存塊的大小，內存塊小的分區排在前面，內存塊大的排在后面。因為分區采用首次適配的算法，排序以后可以減少內存浪費。

　　同時(shí)，系統提供了Mem_Alloc/Mem_Free兩個(gè)函數來(lái)支持系統分區的申請和釋放。申請的算法很簡(jiǎn)單，采用首次適配方法從分區鏈表中找到合適內存分區，如果該區空閑內存鏈表不為空，則返回該鏈表第一個(gè)內存塊地址，否則查看下一個(gè)分區。如果找不到合適的內存塊，則返回空指針。

　　釋放算法稍微復雜一些，它需要先檢查該內存塊屬于哪個(gè)分區。這樣做非常必要，如果把一個(gè)小塊放到大塊的內存分區中，一個(gè)任務(wù)申請了該空間，則該空間的一部分將跨越到另一個(gè)內存塊，對該內存塊的操作可能覆蓋另一個(gè)內存塊的數據。如果把一個(gè)大塊放到了小塊的分區中，則在分配的時(shí)候將分配了多余的空間，造成了內存空間的浪費。找到所  圖2創(chuàng )建內存分區流程圖

　　屬分區后，直接把該塊放到該區空閑內存鏈表的尾部。

　　上述系統分區的方式其實(shí)是小范圍動(dòng)態(tài)分區上實(shí)現的靜態(tài)方式。因為每個(gè)內存塊大小是固定的，這樣不可避免地要浪費一部分空間。對于這個(gè)問(wèn)題的解決，系統還提供了一種純動(dòng)態(tài)的解決辦法，就是調用malloc/free函數來(lái)申請內存塊。

　　2.1.3 內存用戶(hù)區的動(dòng)態(tài)內存分配

　　從內存劃分圖中可以看到有一塊用戶(hù)內存區，這是一塊內核不會(huì )使用的內存區。該區留給用戶(hù)使用，對于這塊區域的申請和釋放不調用系統提供的Mem_Alloc/Mem_Free函數，而是直接調用c語(yǔ)言提供的malloc/free函數。malloc具有不確定性，因為它的執行時(shí)間和空閑內存塊的數量有關(guān)，而且多次使用malloc/free調用和釋放內存塊，可能產(chǎn)生大量的內存碎片。所以這種方式的調用要謹慎。由于用戶(hù)內存區大小是可配置的，所以用戶(hù)可以控制該區大小以減少碎片產(chǎn)生的問(wèn)題。同時(shí)對于系統調用，例如任務(wù)堆棧分配，不會(huì )因為碎片太多而導致分配失敗的問(wèn)題。

　　3. 小結

　　動(dòng)靜結合的方式給用戶(hù)提供了比較大的自由度，用戶(hù)可以從系統分區中申請內存塊，也可以從用戶(hù)內存區申請內存塊。這樣增加了系統的靈活性，同時(shí)也限制了大量碎片產(chǎn)生的可能（在不頻繁刪除建立系統內存分區的前提下）。也增加了部分c代碼的可移植性。

　　4. 參考文獻

　　曾非一、桑 楠、熊光澤，嵌入式系統內存管理方案研究。
　　Jean J.Labrosse 著(zhù)，邵貝貝 譯，μC/OS-Ⅱ源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，中國電力出版社，2001。
　　William Stallings著(zhù)，魏迎梅等譯，操作系統--內核與設計原理，電子工業(yè)出版社，2001。

　　作者簡(jiǎn)介：
　　楊雷：男，1977年12月6日，漢，碩士，計算機應用，實(shí)時(shí)操作系統設計。
　　吳玨：女，1978年8月26日，漢，碩士，計算機應用，教學(xué)和研究。

　　導師簡(jiǎn)介:
　　陳汶濱，副教授，男，1965年5月1日，漢，碩士，計算機應用，教學(xué)和研究。