liteos記憶體（三）

yooooooo發表於2019-05-22
記憶體

1. 概述

1.1 基本概念

記憶體管理模組管理系統的記憶體資源，它是作業系統的核心模組之一。主要包括記憶體的初始化、分配以及釋放。

在系統執行過程中，記憶體管理模組通過對記憶體的申請/釋放操作，來管理使用者和OS對記憶體的使用，使記憶體的利用率和使用效率達到最優，同時最大限度地解決系統的記憶體碎片問題。

Huawei LiteOS的記憶體管理分為靜態記憶體管理和動態記憶體管理，提供記憶體初始化、分配、釋放等功能。

  • 動態記憶體：在動態記憶體池中分配使用者指定大小的記憶體塊。
    • 優點：按需分配。
    • 缺點：記憶體池中可能出現碎片。
  • 靜態記憶體：在靜態記憶體池中分配使用者初始化時預設（固定）大小的記憶體塊。
    • 優點：分配和釋放效率高，靜態記憶體池中無碎片。
    • 缺點：只能申請到初始化預設大小的記憶體塊，不能按需申請。

1.2 動態記憶體運作機制

動態記憶體管理，即在記憶體資源充足的情況下，從系統配置的一塊比較大的連續記憶體（記憶體池），根據使用者需求，分配任意大小的記憶體塊。當使用者不需要該記憶體塊時，又可以釋放回系統供下一次使用。

與靜態記憶體相比，動態記憶體管理的好處是按需分配，缺點是記憶體池中容易出現碎片。

系統動態記憶體管理結構如圖1所示：
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第一部分：堆記憶體（也稱記憶體池）的起始地址及堆區域總大小

第二部分：本身是一個陣列，每個元素是一個雙向連結串列，所有free節點的控制頭都會被分類掛在這個陣列的雙向連結串列中。

假設記憶體允許的最小節點為2^min位元組，則陣列的第一個雙向連結串列儲存的是所有size為2^min<size< 2^min+1的free節點，第二個雙向連結串列儲存的是所有size為2^min+1<size< 2^min+2的free節點，依次類推第n個雙向連結串列儲存的是所有size為2^min+n-1<size< 2^min+n的free節點。(這個有點像buddy演算法)每次申請記憶體的時候，會從這個陣列檢索最合適大小的free節點，進行分配記憶體。每次釋放記憶體時，會將該片記憶體作為free節點儲存至這個陣列，以便下次再利用。

第三部分：佔用記憶體池極大部分的空間，是用於存放各節點的實際區域。以下是LOS_MEM_DYN_NODE節點結構體申明以及簡單介紹：

typedef struct tag LOS_MEM_DYN_NODE
{
LOS_DL_LIST stFreeNodeInfo;
struct tagLOS_MEM_DYN_NODE *pstPreNode;
UINT32 uwSizeAndFlag;
}LOS_MEM_DYN_NODE;

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1.3 靜態記憶體運作機制

靜態記憶體實質上是一塊靜態陣列，靜態記憶體池內的塊大小在初始化時設定，初始化後塊大小不可變更。

靜態記憶體池由一個控制塊和若干相同大小的記憶體塊構成。控制塊位於記憶體池頭部，用於記憶體塊管理。記憶體塊的申請和釋放以塊大小為粒度。

圖 3-4 靜態記憶體示意圖

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2. 動態記憶體

2.1 開發指導

2.1.1 使用場景

記憶體管理的主要工作是動態的劃分並管理使用者分配好的記憶體區間。

動態記憶體管理主要是在使用者需要使用大小不等的記憶體塊的場景中使用。

當使用者需要分配記憶體時，可以通過作業系統的動態記憶體申請函式索取指定大小記憶體塊，一旦使用完畢，通過動態記憶體釋放函式歸還所佔用記憶體，使之可以重複使用。

2.1.2 功能

Huawei LiteOS系統中的動態記憶體管理模組為使用者提供下面幾種功能，具體的API詳見介面手冊。

功能分類 介面名 描述
記憶體初始化 LOS_MemInit 初始化一塊指定的動態記憶體池，大小為size。
申請動態記憶體 LOS_MemAlloc 從指定動態記憶體池中申請size長度的記憶體。
釋放動態記憶體 LOS_MemFree 釋放已申請的記憶體。
重新申請記憶體 LOS_MemRealloc 按size大小重新分配記憶體塊，並保留原記憶體塊內容。
記憶體對齊分配 LOS_MemAllocAlign 從指定動態記憶體池中申請長度為size且地址按boundary位元組對齊的記憶體。
獲取記憶體大小 LOS_MemPoolSizeGet 獲取指定的動態記憶體池總大小
獲取記憶體大小 LOS_MemTotalUsedGet 獲取指定動態記憶體池的總使用量大小
獲取記憶體塊數量 LOS_MemFreeBlksGet 獲取指定記憶體池的空閒記憶體塊數量
獲取記憶體塊數量 LOS_MemUsedBlksGet 獲取指定記憶體池的已使用的記憶體塊數量
獲取分配指定記憶體區域的任務ID LOS_MemTaskIdGet 獲取分配了指定記憶體區域的任務ID
獲取最後節點記憶體大小 LOS_MemLastNodeGet 獲取除大小為零的終端節點之外的最後一個節點的記憶體大小
獲取記憶體結構資訊 LOS_MemInfoGet 獲取指定記憶體池的記憶體結構資訊
對指定記憶體池做完整性檢查 LOS_MemIntegrityCheck 對指定記憶體池做完整性檢查
獲取節點大小 LOS_MemNodeSizeCheck 獲取節點的總大小和可操作大小
設定記憶體檢查級別 LOS_MemCheckLevelSet 設定記憶體檢查級別
獲取記憶體檢查級別 LOS_MemCheckLevelGet 獲取記憶體檢查級別

2.1.3 開發流程

  1. 配置：
  • OS_SYS_MEM_ADDR：系統動態記憶體池起始地址，一般不需要修改
  • OS_SYS_MEM_SIZE：系統動態記憶體池大小，以byte為單位，系統預設分配DDR後未使用的空間
  • LOSCFG_BASE_MEM_NODE_INTEGRITY_CHECK：記憶體越界檢測開關，預設關閉。開啟後，每次申請動態記憶體時執行動態記憶體塊越界檢查；每次釋放靜態記憶體時執行靜態記憶體塊越界檢查。
  1. 初始化LOS_MemInit。

初始一個記憶體池後如圖，生成一個 EndNode，並且剩餘的記憶體全部被標記為FreeNode節點。注： EndNode作為記憶體池末尾的節點， size為0。

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  1. 申請任意大小的動態記憶體LOS_MemAlloc。

判斷動態記憶體池中是否存在申請量大小的空間，若存在，則劃出一塊記憶體塊，以指標形式返回，若不存在，返回NULL。

呼叫三次LOS_MemAlloc函式可以建立三個節點,假設名稱分別為UsedA， UsedB，UsedC，大小分別為sizeA， sizeB， sizeC。因為剛初始化記憶體池的時候只有一個大的FreeNode，所以這些記憶體塊是從這個FreeNode中切割出來的。

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當記憶體池中存在多個FreeNode的時候進行malloc，將會適配最合適大小的FreeNode。用來新建記憶體塊，減少記憶體碎片。若新建的記憶體塊不等於被使用的FreeNode的大小，則在新建記憶體塊後，多餘的記憶體又會被標記為一個新的FreeNode。

  1. 釋放動態記憶體LOS_MemFree。

回收記憶體塊，供下一次使用。

假設呼叫LOS_MemFree釋放記憶體塊UsedB，則會回收記憶體塊UsedB，並且將其標記為FreeNode

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2.1.4 平臺差異性

無

2.2 程式設計例項

2.2.1 例項描述

Huawei LiteOS執行期間，使用者需要頻繁的使用記憶體資源，而記憶體資源有限，必須確保將有限的記憶體資源分配給急需的程式，同時釋放不用的記憶體。

通過Huawei LiteOS記憶體管理模組可以保證高效、正確的申請、釋放記憶體。

本例項執行以下步驟：

  1. 初始化一個動態記憶體池。
  2. 在動態記憶體池中申請一個記憶體塊。
  3. 使用這塊記憶體塊存放一個資料。
  4. 列印出存放在記憶體塊中的資料。
  5. 釋放掉這塊記憶體。

2.2.2 程式設計例項

VOID los_memory_test() {
    UINT32 *p_num = NULL;
    UINT32 uwRet;
    uwRet = LOS_MemInit(m_aucSysMem0, 32);
    if (LOS_OK == uwRet) {
        dprintf("記憶體池初始化成功!\n");
    }
    else {
        dprintf("記憶體池初始化失敗!\n");
        return;
    }
    /*分配記憶體*/
    p_num = (int*)LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, 4);
    if (NULL == p_num) {
        dprintf("記憶體分配失敗!\n");
        return;
    }
    dprintf("記憶體分配成功\n");
    /*賦值*/
    *p_num = 828;
    dprintf("*p_num = %d\n", *p_num);
    /*釋放記憶體*/
    uwRet = LOS_MemFree(m_aucSysMem0, p_num);
    if (LOS_OK == uwRet) {
        dprintf("記憶體釋放成功!\n");
    }
    else {
        dprintf("記憶體釋放失敗!\n");
    }
    return;
}

2.2.3 結果驗證

圖 3-5 結果顯示

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3. 靜態記憶體

3.1 開發指導

當使用者需要使用固定長度的記憶體時，可以使用靜態記憶體分配的方式獲取記憶體，一旦使用完畢，通過靜態記憶體釋放函式歸還所佔用記憶體，使之可以重複使用。

3.2 功能

Huawei LiteOS的靜態記憶體管理主要為使用者提供以下功能。

功能分類 介面名 描述
初始化靜態記憶體 LOS_MemboxInit 初始化一個靜態記憶體池，設定其起始地址、總大小及每個塊大小
清除靜態記憶體內容 LOS_MemboxClr 清零靜態記憶體塊
申請一塊靜態記憶體 LOS_MemboxAlloc 申請一塊靜態記憶體塊
釋放記憶體 LOS_MemboxFree 釋放一個靜態記憶體塊

3.3 開發流程

本節介紹使用靜態記憶體的典型場景開發流程。

  1. 規劃一片記憶體區域作為靜態記憶體池。
  2. 呼叫LOS_MemboxInit介面。

系統內部將會初始化靜態記憶體池。將入參指定的記憶體區域分割為N塊（N值取決於
靜態記憶體總大小和塊大小），將所有記憶體塊掛到空閒連結串列，在記憶體起始處放置控
制頭。

  1. 呼叫LOS_MemboxAlloc介面。

系統內部將會從空閒連結串列中獲取第一個空閒塊，並返回該塊的使用者空間地址。

  1. 呼叫LOS_MemboxFree介面。

將該塊記憶體加入空閒塊連結串列。

  1. 呼叫LOS_MemboxClr介面。

系統內部清零靜態記憶體塊，將入參地址對應的記憶體塊清零

3.3 程式設計例項

Huawei LiteOS執行期間，使用者需要頻繁的使用記憶體資源，而記憶體資源有限，必須確保將有限的記憶體資源分配給急需的程式，同時釋放不用的記憶體。

通過記憶體管理模組可以保證正確且高效的申請釋放記憶體。

本例項執行以下步驟：

  1. 初始化一個靜態記憶體池。
  2. 從靜態記憶體池中申請一塊靜態記憶體。
  3. 使用這塊記憶體塊存放一個資料。
  4. 列印出存放在記憶體塊中的資料。
  5. 清除記憶體塊中的資料。
  6. 釋放掉這塊記憶體；
VOID los_membox_test(void) {
    UINT32 *p_num = NULL;
    UINT32 uwBlkSize = 10, uwBoxSize = 100;
    UINT32 uwRet;
    UINT32 pBoxMem[1000];
    uwRet = LOS_MemboxInit(&pBoxMem[0], uwBoxSize, uwBlkSize);
    if (uwRet != LOS_OK)
    {
        dprintf("記憶體池初始化失敗!\n");
        return;
    }
    else {
        dprintf("記憶體池初始化成功!\n");
    }
    /*申請記憶體塊*/
    p_num = (int*)LOS_MemboxAlloc(pBoxMem);
    if (NULL == p_num) {
        dprintf("記憶體分配失敗!\n");
        return;
    }
    dprintf("記憶體分配成功\n");
    /*賦值*/
    *p_num = 828;
    dprintf("*p_num = %d\n", *p_num);
    /*清除記憶體內容*/
    LOS_MemboxClr(pBoxMem, p_num);
    dprintf("清除記憶體內容成功\n *p_num = %d\n", *p_num);
    /*釋放記憶體*/
    uwRet = LOS_MemboxFree(pBoxMem, p_num);
    if (LOS_OK == uwRet) {
        dprintf("記憶體釋放成功!\n");
    }
    else{
        dprintf("記憶體釋放失敗!\n");
    }
    return;

3.4 結果驗證

圖 3-6 結果顯示
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