裸機(jī)內(nèi)存管理解析
概述
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，變量、中間數(shù)據(jù)一般存放在系統(tǒng)存儲(chǔ)空間中，只有實(shí)際使用的時(shí)候才將他們從存儲(chǔ)空間調(diào)入到中央處理器內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算。通常存儲(chǔ)空間分為兩類：內(nèi)部存儲(chǔ)空間和外部存儲(chǔ)空間。對(duì)于電腦來(lái)講，內(nèi)部存儲(chǔ)空間就是電腦的內(nèi)存，外部存儲(chǔ)空間就是電腦的硬盤。而對(duì)于單片機(jī)來(lái)講，內(nèi)部存儲(chǔ)就是 RAM ，隨機(jī)存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)可以理解為 flash ，掉電不丟失。該篇文章的主題，內(nèi)存管理，主要討論的是關(guān)于 RAM 的管理。
堆、棧和靜態(tài)區(qū)
針對(duì)于 Cortex M3 內(nèi)核的單片機(jī)的詳細(xì)內(nèi)存分配可以參照筆者的這篇文章 STM32 內(nèi)存分配解析及變量的存儲(chǔ)位置 ，在這里不進(jìn)行贅述，簡(jiǎn)單的進(jìn)行劃分一下，大致可以分為三個(gè)部分：靜態(tài)區(qū)，棧，堆。
靜態(tài)區(qū)：保存全局變量和 static 變量(包括由 static 修飾的全局變量和局部變量)。靜態(tài)區(qū)的內(nèi)容在總個(gè)程序的生命周期內(nèi)都存在，由編譯器在編譯的時(shí)候進(jìn)行分配。
棧：保存局部變量。棧上的內(nèi)容只在函數(shù)的范圍內(nèi)存在，當(dāng)函數(shù)運(yùn)行結(jié)束，這些內(nèi)容也會(huì)自動(dòng)被銷毀。其特點(diǎn)是效率高，但空間大小有限。
堆：由 malloc 函數(shù)分配的內(nèi)存。其生命周期由 free 決定，在沒有釋放之前一直存下，直到程序結(jié)束。
內(nèi)存碎片和內(nèi)存泄漏
涉及到動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理時(shí)，會(huì)觸及到兩個(gè)概念，一個(gè)就是內(nèi)存碎片另一個(gè)就是內(nèi)存泄漏，下面分別闡述著兩個(gè)概念。
內(nèi)存碎片
假設(shè)我現(xiàn)在有 16 個(gè)字節(jié)的空閑內(nèi)存，如下圖所示：
現(xiàn)在我使用 malloc 分配了四次內(nèi)存，然后這 16 個(gè)字節(jié)的內(nèi)存變成了這樣：
然后，又使用 free 釋放了三次內(nèi)存，釋放之后的內(nèi)存空間是這樣的：
在沒有 MMU 的情況下，現(xiàn)在我準(zhǔn)備用 malloc 一次性分配 12 個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間，雖然上述 16 個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間還剩下 13 個(gè)字節(jié)，但是卻因?yàn)閮?nèi)存不是連續(xù)的，因此是不能夠進(jìn)行分配的，這也就是出現(xiàn)內(nèi)存碎片的原因了。
內(nèi)存泄漏
內(nèi)存泄漏產(chǎn)生的原因是當(dāng)分配時(shí)的內(nèi)存已經(jīng)不再使用了，但是卻沒有被釋放掉，這個(gè)時(shí)候，導(dǎo)致內(nèi)存不夠用，這對(duì)于嵌入式設(shè)備這種內(nèi)存極其有限的對(duì)象來(lái)說是極其有害的。因此，在使用 malloc時(shí)，要搭配著 free 來(lái)進(jìn)行使用。
什么時(shí)候會(huì)使用到堆呢？
靜態(tài)區(qū)，棧我們我們?cè)诰帉懗绦虻臅r(shí)候都會(huì)涉及到，定義一個(gè)全局變量，就存放在了靜態(tài)區(qū)，在函數(shù)內(nèi)部定義了一個(gè)局部變量，就存放在了棧，那堆呢？堆什么時(shí)候會(huì)使用到呢？假設(shè)現(xiàn)在有這樣一個(gè)程序。
int main(void)
{
char *buffer[3] = {NULL};
char *string1 = "hello";
char *string2 = "word";
char *string3 = "wenzi";
buffer[0] = (char *)malloc(strlen(string1) + 1);
if (buffer[0] != NULL)
strcpy(buffer[0],string1);
buffer[1] = (char *)malloc(strlen(string2) + 1);
if (buffer[1] != NULL)
strcpy(buffer[1],string2);
buffer[2] = (char *)malloc(strlen(string3) + 1);
if (buffer[2] != NULL)
strcpy(buffer[2],string3);
}
可以看到上述代碼的意思是將string1、string2、string3三個(gè)字符串復(fù)制到 buffer 所在內(nèi)存位置，但是這個(gè)時(shí)候，如果不給數(shù)組的元素分配一定大小的內(nèi)存，那么可能就放不下拷貝進(jìn)去的字符串，因此在往里面拷貝字符串時(shí)，應(yīng)該提前開辟出一段內(nèi)存空間出來(lái)，這個(gè)時(shí)候，就需要使用到 malloc 來(lái)進(jìn)行內(nèi)存分配，當(dāng)然所對(duì)應(yīng)的，當(dāng)這個(gè)數(shù)組使用完之后，需要使用 free來(lái)將分配的內(nèi)存釋放掉，否則就會(huì)造成內(nèi)存泄漏。
單片機(jī)如何進(jìn)行分配內(nèi)存
在上述介紹的分配內(nèi)存中，都是使用 malloc來(lái)進(jìn)行分配內(nèi)存，然后使用 free 來(lái)進(jìn)行釋放內(nèi)存，但是針對(duì)于單片機(jī) RAM 如此緊缺的設(shè)備來(lái)講，使用 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的內(nèi)存管理函數(shù)是不恰當(dāng)?shù)?，存在著許多弊端，主要有以下幾點(diǎn)：
他們的實(shí)現(xiàn)可能非常大，占據(jù)了相當(dāng)大的一塊代碼空間
這兩個(gè)函數(shù)會(huì)使得鏈接器配置得復(fù)雜
如果允許堆空間的生長(zhǎng)方向覆蓋其他變量的內(nèi)存，他們會(huì)成為 debug 的災(zāi)難
基于此，正點(diǎn)原子的例程中給出了一種內(nèi)存管理的方法：分塊式內(nèi)存管理，實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示：
簡(jiǎn)單說明一下，分塊式內(nèi)存管理由內(nèi)存池和內(nèi)存管理表構(gòu)成。內(nèi)存池被等分為 n 塊，對(duì)應(yīng)的內(nèi)存管理表，大小也為 n。內(nèi)存管理表的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)著內(nèi)存池的一塊內(nèi)存。之所以有內(nèi)存表項(xiàng)的存在，是因?yàn)樾枰ㄟ^內(nèi)存表項(xiàng)表征當(dāng)前內(nèi)存塊有沒有被占用，如果對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊沒有被占用，那么該表項(xiàng)值就為 0 ，非 0 表示該內(nèi)存塊已經(jīng)被占用。如果某項(xiàng)值為 10，那么說明本項(xiàng)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊在內(nèi)，總共分配了 10 個(gè)內(nèi)存塊給外部的某個(gè)指針。
內(nèi)存分配原理
當(dāng)指針 p 調(diào)用 malloc 申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，先判斷 p 要分配的內(nèi)存塊數(shù)(m)，然后從第 n 項(xiàng)開始，向下查找，直到找到 m 塊連續(xù)的空內(nèi)存塊（即對(duì)應(yīng)內(nèi)存管理表項(xiàng)為 0），然后將這 m 個(gè)內(nèi)存管理表項(xiàng)的值都設(shè)置為 m（標(biāo)記被占用），最后，把最后的這個(gè)空內(nèi)存塊的地址返回指針 p，完成一次分配。注意，如果當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候（找到最后也沒找到連續(xù)的 m 塊空閑內(nèi)存），則返回 NULL 給 p，表示分配失敗?；诖嗽?，我們來(lái)完成內(nèi)存分配函數(shù)。
首先我們需要定義內(nèi)存池的大小和內(nèi)存表的大小：
#define MEM1_BLOCK_SIZE 32 //內(nèi)存塊大小為32字節(jié)
#define MEM1_MAX_SIZE 10*1024 //最大管理內(nèi)存 10K
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE //內(nèi)存表大小
上述中內(nèi)存表的大小直接用內(nèi)存池的大小除以內(nèi)存塊的大小是因?yàn)閮?nèi)存管理表和內(nèi)存塊一一對(duì)應(yīng)的，內(nèi)存塊的數(shù)量也就等于內(nèi)存池中內(nèi)存塊的數(shù)量。
有了內(nèi)存池和內(nèi)存管理表的大小，那么就可以定義內(nèi)存池和內(nèi)存管理表了，定義如下所示：
//內(nèi)存池(32字節(jié)對(duì)齊)
__align(32) uint8_t mem1base[MEM1_MAX_SIZE]; //內(nèi)部SRAM內(nèi)存
//內(nèi)存管理表
uint16_t mem1mapbase[MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE]; //內(nèi)部SRAM內(nèi)存池MAP
//內(nèi)存管理參數(shù)
const uint32_t memtblsize = MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE; //內(nèi)存表大小
const uint32_t memblksize = MEM1_BLOCK_SIZE; //內(nèi)存分塊大小
const uint32_t memsize = MEM1_MAX_SIZE; //內(nèi)存總大小
上述所定義的就是內(nèi)存池和內(nèi)存管理表的相關(guān)內(nèi)容，關(guān)于內(nèi)存池采用 32 個(gè)字節(jié)對(duì)齊是因?yàn)?內(nèi)存塊的大小是 32 字節(jié)，而且我們從這里也可以看到我們所定義的內(nèi)存池本質(zhì)就是一個(gè)全局變量的數(shù)組，這個(gè)數(shù)組在編譯時(shí)，就被分配了一個(gè)固定大小的內(nèi)存，然后我們會(huì)編寫 malloc 函數(shù)往這個(gè)內(nèi)存池中去分配內(nèi)存，緊接著，為了使得程序更加簡(jiǎn)潔，我們創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存管理的相關(guān)參數(shù)：
struct _m_mallco_dev
{
void (*init)(void); //初始化
uint8_t (*perused)(void); //內(nèi)存使用率
uint8_t *membase; //內(nèi)存池 管理SRAMBANK個(gè)區(qū)域的內(nèi)存
uint16_t *memmap; //內(nèi)存管理狀態(tài)表
uint8_t memrdy; //內(nèi)存管理是否就緒
}
可以看到這個(gè)結(jié)構(gòu)體包含了兩個(gè)函數(shù)指針，兩個(gè)指針，以及一個(gè)普通變量。有了結(jié)構(gòu)體類型之后，我們定義一個(gè)變量并初始化如下：
struct _m_mallco_dev mallco_dev=
{
my_mem_init, //內(nèi)存初始化
my_mem_perused, //內(nèi)存使用率
mem1base, //內(nèi)存池
mem1mapbase, //內(nèi)存管理狀態(tài)表
0, //內(nèi)存管理未就緒
};
可以看到對(duì)與初始化的結(jié)構(gòu)體變量來(lái)說，兩個(gè)函數(shù)指針，指向的分別是內(nèi)存初始化和內(nèi)存使用率函數(shù)，內(nèi)存使用率函數(shù)不在這里闡述了，需要了解的可以在公眾號(hào)底部回復(fù) 內(nèi)存管理獲得內(nèi)存管理源代碼進(jìn)行學(xué)習(xí)。這里闡述一下內(nèi)存初始化，回顧我們之前定義的內(nèi)存池，是一個(gè)全局變量的數(shù)組，因此，這里的初始化實(shí)際也就是對(duì)于全局?jǐn)?shù)組進(jìn)行賦 0 操作，代碼如下所示：
void my_mem_init(void)
{
mymemset(mallco_dev.memmap, 0,memtblsize*2);//內(nèi)存狀態(tài)表數(shù)據(jù)清零
mymemset(mallco_dev.membase, 0,memsize); //內(nèi)存池所有數(shù)據(jù)清零
mallco_dev.memrdy = 1; //內(nèi)存管理初始化OK
}
上述的 mymemset函數(shù)也不在這里闡述了，可以自行閱讀筆者在公眾號(hào)后天給出的源代碼，上述代碼功能也就是對(duì)內(nèi)存池和內(nèi)存管理表進(jìn)行賦 0 ，為什么賦 0 時(shí)內(nèi)存管理表的大小要乘以 2 ，是因?yàn)閮?nèi)存管理表是的數(shù)據(jù)是 16 位的，而計(jì)算內(nèi)存管理表的大小時(shí)所依據(jù)的是 8 位的內(nèi)存池的數(shù)據(jù)。
有了初始化，我們就可以根據(jù)所要求獲取的內(nèi)存大小向內(nèi)存池獲取內(nèi)存了，下面是內(nèi)存分配的代碼實(shí)現(xiàn)：
uint32_t my_mem_malloc(uint32_t size)
{
signed long offset=0;
uint32_t nmemb; //需要的內(nèi)存塊數(shù)
uint32_t cmemb = 0;//連續(xù)空內(nèi)存塊數(shù)
uint32_t i;
if (!mallco_dev.memrdy)
mallco_dev.init();//未初始化,先執(zhí)行初始化
if (size == 0)
return 0XFFFFFFFF;//不需要分配
nmemb = size / memblksize; //獲取需要分配的連續(xù)內(nèi)存塊數(shù)
if (size % memblksize)
nmemb ++;
for (offset = memtblsize-1; offset >= 0; offset--)//搜索整個(gè)內(nèi)存控制區(qū)
{
if (!mallco_dev.memmap[offset])
cmemb++;//連續(xù)空內(nèi)存塊數(shù)增加
else
cmemb = 0; //連續(xù)內(nèi)存塊清零
if (cmemb == nmemb) //找到了連續(xù)nmemb個(gè)空內(nèi)存塊
{
for(i = 0; i < nmemb; i++) //標(biāo)注內(nèi)存塊非空
{
mallco_dev.memmap[offset+i] = nmemb;
}
return (offset*memblksize);//返回偏移地址
}
}
return 0XFFFFFFFF;//未找到符合分配條件的內(nèi)存塊
}
上述代碼仔細(xì)閱讀也不難理解，總體來(lái)說，分配的過程最開始是檢查內(nèi)存池是否已經(jīng)初始化，如果沒有初始化，那么就進(jìn)行初始化，進(jìn)一步地就檢查所要分配的大小是否等于 0 ，如果等于0 ，那么就返回。接下來(lái)的就是根據(jù)要分配的內(nèi)存大小來(lái)計(jì)算所要分配的內(nèi)存塊數(shù)，最后，所要分配的內(nèi)存可能不足以需要一整個(gè)內(nèi)存塊了，但是不足的話仍舊以一個(gè)內(nèi)存塊來(lái)進(jìn)行計(jì)算，緊接著，就開始從內(nèi)存池的底部開始尋找空閑內(nèi)存塊，如果找到了，就將對(duì)應(yīng)的內(nèi)存管理表賦值成所要分配的內(nèi)存塊大小。最后，返回所分配的內(nèi)存在內(nèi)存池中的偏移。注意，到這里并沒有結(jié)束，返回的只是偏移，并不是我們所需要的地址，因此，我們還需要如下所示的一個(gè)函數(shù)：
void *mymalloc(uint32_t size)
{
uint32_t offset;
offset = my_mem_malloc(size);
if (offset == 0XFFFFFFFF)
return NULL;
else
return (void*)((uint32_t)mallco_dev.membase+offset);
}
上面這個(gè)函數(shù)就不在這里贅述了，其功能呢就是將在我們剛剛那個(gè)函數(shù)得到的偏移地址加上內(nèi)存池所在的地址就得到了我們分配的那個(gè)內(nèi)存的地址。
內(nèi)存釋放原理
當(dāng) p 申請(qǐng)的內(nèi)存用完，需要釋放的時(shí)候，調(diào)用 free 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。free 函數(shù)先判斷 p 指向的內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊，然后找到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存管理表項(xiàng)目，得到 p 所占用的內(nèi)存塊數(shù)目 m（內(nèi)存管理表項(xiàng)目的值就是所分配內(nèi)存塊的數(shù)目），將這 m 個(gè)內(nèi)存管理表項(xiàng)目的值都清零，標(biāo)記釋放，完成一次內(nèi)存釋放。這就是內(nèi)存釋放的原理，對(duì)應(yīng)的代碼如下所示：
uint8_t my_mem_free(uint32_t offset)
{
int i;
if (!mallco_dev.memrdy) //未初始化,先執(zhí)行初始化
{
mallco_dev.init();
return 1; //未初始化
}
if (offset < memsize)//偏移在內(nèi)存池內(nèi).
{
int index = offset/memblksize; //偏移所在內(nèi)存塊號(hào)碼
int nmemb = mallco_dev.memmap[index]; //內(nèi)存塊數(shù)量
for(i = 0; i < nmemb; i++) //內(nèi)存塊清零
{
mallco_dev.memmap[index+i]=0;
}
return 0;
}
else
return 2;//偏移超區(qū)了.
}
通過上述代碼我們也可以知道關(guān)于內(nèi)存的釋放只需要將其內(nèi)存管理表的項(xiàng)置 0 就好，簡(jiǎn)而言之，我們需要找到需要釋放的內(nèi)存所在的地址，然后根據(jù)內(nèi)存管理表的數(shù)值一次將內(nèi)存管理表的值進(jìn)行置 0 就完成了內(nèi)存的釋放，當(dāng)然，上述代碼也不是全部，釋放前我們需要知道釋放內(nèi)存在內(nèi)存池中的偏移，這部分代碼如下所示：
void myfree(void *ptr)
{
uint32_t offset;
if(ptr==NULL)return;//地址為0.
offset=(uint32_t)ptr-(uint32_t)mallco_dev.membase;
my_mem_free(offset); //釋放內(nèi)存
}
其中 ptr 就是要釋放的內(nèi)存的地址，然后在減去內(nèi)存池所在的地址，就可以得到要釋放的內(nèi)存在內(nèi)存池中的偏移。
總結(jié)
上述就是關(guān)于在裸機(jī)上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)內(nèi)存管理，仔細(xì)來(lái)看實(shí)現(xiàn)原理其實(shí)挺簡(jiǎn)單，關(guān)于這個(gè)例子，筆者覺得也僅僅是提供了一個(gè)關(guān)于內(nèi)存分配的一個(gè)思路，要真正的運(yùn)用到實(shí)際中，還存在問題，在上述中的內(nèi)存分配中，在進(jìn)行分配時(shí)，當(dāng)要分配的大小小于一個(gè)內(nèi)存塊的大小時(shí)，直接采用的是分配一個(gè)內(nèi)存塊的大小，而在例子中定義的內(nèi)存塊大小是 32 K ，也就是說如果分配的內(nèi)存大小小于 32 K ，那就分配 32 K ，這樣是極其浪費(fèi)的。如果把內(nèi)存塊定義的太小，那么相應(yīng)伴隨的又是內(nèi)存管理表數(shù)組的增大，也會(huì)增加對(duì)于 RAM 的消耗，所以總體來(lái)說上述的代碼存在著一些不完善，但是對(duì)于學(xué)習(xí)來(lái)說是極好的~
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