華為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)LiteOS內(nèi)核教程06-內(nèi)存管理

1. LiteOS內(nèi)核的內(nèi)存管理

1.1. 內(nèi)存管理

在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，一些內(nèi)存空間大小是不確定的，比如一些數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，所以系統(tǒng)需要提供內(nèi)存空間的管理能力，用戶(hù)可以在使用的時(shí)候申請(qǐng)需要的內(nèi)存空間，使用完畢釋放該空間，以便再次利用。

Huawei LiteOS 的內(nèi)存管理模塊通過(guò)對(duì)內(nèi)存的申請(qǐng)/釋放操作，來(lái)管理用戶(hù)和OS對(duì)內(nèi)存的使用，使內(nèi)存的利用率和使用效率達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)最大限度地解決系統(tǒng)的內(nèi)存碎片問(wèn)題。

1.2. 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，即在內(nèi)存資源充足的情況下，從系統(tǒng)配置的一塊比較大的連續(xù)內(nèi)存（內(nèi)存池），根據(jù)用戶(hù)需求，分配任意大小的內(nèi)存塊。當(dāng)用戶(hù)不需要該內(nèi)存塊時(shí)，又可以釋放回系統(tǒng)供下一次使用。

與靜態(tài)內(nèi)存相比，動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的好處是按需分配，缺點(diǎn)是內(nèi)存池中容易出現(xiàn)碎片。

LiteOS動(dòng)態(tài)內(nèi)存支持 DLINK 和 BEST LITTLE 兩種標(biāo)準(zhǔn)算法。

1.2.1. DLINK 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理算法

DLINK動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)如下圖所示：

第一部分

堆內(nèi)存（也稱(chēng)內(nèi)存池）的起始地址及堆區(qū)域總大小。

第二部分

本身是一個(gè)數(shù)組，每個(gè)元素是一個(gè)雙向鏈表，所有free節(jié)點(diǎn)的控制頭都會(huì)被分類(lèi)掛在這個(gè)數(shù)組的雙向鏈表中。

第三部分

占用內(nèi)存池極大部分的空間，是用于存放各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際區(qū)域。

1.2.2. BEST LITTLE 算法（重點(diǎn)）

LiteOS 的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配支持最佳適配算法，即 BEST LITTLE，每次分配時(shí)選擇內(nèi)存池中最小最適合的內(nèi)存塊進(jìn)行分配。

LiteOS 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理在最佳適配算法的基礎(chǔ)上加入了 SLAB 機(jī)制，用于分配固定大小的內(nèi)存塊，進(jìn)而減小產(chǎn)生內(nèi)存碎片的可能性。

LiteOS 內(nèi)存管理中的 SLAB 機(jī)制支持可配置的 SLAB CLASS 數(shù)目及每個(gè) CLASS 的最大空間。

現(xiàn)以 SLAB CLASS 數(shù)目為 4，每個(gè) CLASS 的最大空間為 512 字節(jié)為例說(shuō)明 SLAB 機(jī)制：

在內(nèi)存池中共有 4 個(gè) SLAB CLASS，每個(gè) SLAB CLASS 的總共可分配大小為 512 字節(jié)，第一個(gè) SLAB CLASS 被分為 32 個(gè)16 字節(jié)的 SLAB 塊，第二個(gè) SLAB CLASS 被分為 16 個(gè) 3 2字節(jié)的 SLAB 塊，第三個(gè) SLAB CLASS 被分為 8 個(gè) 64 字節(jié)的 SLAB 塊，第四個(gè) SLAB CLASS 被分為 4 個(gè) 128 字節(jié)的 SLAB 塊。這 4 個(gè) SLAB CLASS 是從內(nèi)存池中按照最佳適配算法分配出來(lái)的。

初始化內(nèi)存管理時(shí)，首先初始化內(nèi)存池，然后在初始化后的內(nèi)存池中按照最佳適配算法申請(qǐng) 4 個(gè) SLAB CLASS，再逐個(gè)按照 SLAB 內(nèi)存管理機(jī)制初始化 4 個(gè) SLAB CLASS。

每次申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，先在滿(mǎn)足申請(qǐng)大小的最佳 SLAB CLASS 中申請(qǐng)，（比如用戶(hù)申請(qǐng) 20 字節(jié)內(nèi)存，就在 SLAB 塊大小為 32 字節(jié)的 SLAB CLASS 中申請(qǐng)），如果申請(qǐng)成功，就將 SLAB 內(nèi)存塊整塊返回給用戶(hù)，釋放時(shí)整塊回收。如果滿(mǎn)足條件的 SLAB CLASS 中已無(wú)可以分配的內(nèi)存塊，則繼續(xù)向內(nèi)存池按照最佳適配算法申請(qǐng)。需要注意的是，如果當(dāng)前的 SLAB CLASS 中無(wú)可用 SLAB 塊了，則直接向內(nèi)存池申請(qǐng)，而不會(huì)繼續(xù)向有著更大 SLAB 塊空間的 SLAB CLASS 申請(qǐng)。

釋放內(nèi)存時(shí)，先檢查釋放的內(nèi)存塊是否屬于 SLAB CLASS，如果是 SLAB CLASS 的內(nèi)存塊，則還回對(duì)應(yīng)的 SLAB CLASS 中，否則還回內(nèi)存池中。

1.2.3. 兩種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方法的選擇

LiteOS動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的方法使用宏定義的方法使能，在用戶(hù)工程目錄下的OS_CONFIG中的target_config.h文件中配置。

在該文件中，找到下面這兩項(xiàng)宏定義，置為 YES 則表示使能：

開(kāi)啟BEST LITTLE 算法

#define?LOSCFG_MEMORY_BESTFIT?YES

開(kāi)啟SLAB機(jī)制

#define?LOSCFG_KERNEL_MEM_SLAB?YES

1.3. 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的應(yīng)用場(chǎng)景

內(nèi)存管理的主要工作是動(dòng)態(tài)的劃分并管理用戶(hù)分配好的內(nèi)存區(qū)間。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理主要是在用戶(hù)需要使用大小不等的內(nèi)存塊的場(chǎng)景中使用。當(dāng)用戶(hù)需要分配內(nèi)存時(shí)，可以通過(guò)操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)索取指定大小內(nèi)存塊，一旦使用完畢，通過(guò)動(dòng)態(tài)內(nèi)存釋放函數(shù)歸還所占用內(nèi)存，使之可以重復(fù)使用。

2. 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理API

Huawei LiteOS 系統(tǒng)中的內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，主要提供內(nèi)存的初始化、分配以及釋放功能。

Huawei LiteOS 系統(tǒng)中提供的內(nèi)存管理 API 都是以 LOS 開(kāi)頭，但是這些 API 使用起來(lái)比較復(fù)雜，所以本文中我們使用 Huawei IoT Link SDK 提供的統(tǒng)一API接口進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些接口底層已經(jīng)使用 LiteOS 提供的API實(shí)現(xiàn)，對(duì)用戶(hù)而言更為簡(jiǎn)潔，API列表如下：

osal的api接口聲明在中，使用相關(guān)的接口需要包含該頭文件，關(guān)于函數(shù)的詳細(xì)參數(shù)請(qǐng)參考該頭文件的聲明。

相關(guān)的接口定義在osal.c中，基于LiteOS的接口實(shí)現(xiàn)在 liteos_imp.c文件中：

無(wú)論選擇使用哪種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理算法，都使用該API。

2.1. osal_malloc

osal_malloc接口用于按字節(jié)申請(qǐng)分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間，其接口原型如下：

void?*osal_malloc(size_t?size){????void?*ret?=?NULL;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->malloc)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->malloc(size); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說(shuō)明如下表：

?

2.2. osal_free

osal_free接口用于釋放已經(jīng)分配的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間，其接口原型如下：

void??osal_free(void?*addr){????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->free)) ????{ ????????s_os_cb->ops->free(addr); ????}????return; }

內(nèi)存塊free之后，記得使內(nèi)存塊指針為NULL，否則會(huì)成為野指針！

該接口的參數(shù)說(shuō)明如下表：

?

2.3. osal_zalloc

osal_zalloc接口用于按字節(jié)申請(qǐng)分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間，分配成功則初始化這塊內(nèi)存所有值為0，其接口原型如下：

void?*osal_zalloc(size_t?size){????void?*ret?=?NULL;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->malloc)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->malloc(size);????????if(NULL?!=?ret) ????????{????????????memset(ret,0,size); ????????} ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說(shuō)明如下表：

?

2.4. osal_realloc

osal_realloc接口用于重新申請(qǐng)分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間，其接口原型如下：

void?*osal_realloc(void?*ptr,size_t?newsize){????void?*ret?=?NULL;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->realloc)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->realloc(ptr,newsize); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說(shuō)明如下表：

?

2.5. osal_calloc

osal_calloc接口用于申請(qǐng)分配num個(gè)長(zhǎng)度為size的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間，其接口原型如下：

void?*osal_calloc(size_t?n,?size_t?size){????void?*p?=?osal_malloc(n?*?size);????if(NULL?!=?p) ????{????????memset(p,?0,?n?*?size); ????}????return?p; }

該接口的參數(shù)說(shuō)明如下表：

?

3. 動(dòng)手實(shí)驗(yàn) —— 測(cè)試動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的最大字節(jié)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)中將創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，從最小字節(jié)開(kāi)始，不停的申請(qǐng)分配內(nèi)存，釋放分配的內(nèi)存，直到申請(qǐng)失敗，串口終端中觀察可以申請(qǐng)到的最大字節(jié)。

實(shí)驗(yàn)代碼

首先打開(kāi)上一篇使用的 HelloWorld 工程，基于此工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在Demo文件夾右擊，新建文件夾osal_kernel_demo用于存放內(nèi)核的實(shí)驗(yàn)文件（如果已有請(qǐng)忽略這一步）。

接下來(lái)在此文件夾中新建一個(gè)實(shí)驗(yàn)文件?osal_mem_demo.c，開(kāi)始編寫(xiě)代碼：

/*?使用osal接口需要包含該頭文件?*/#include?/*?任務(wù)入口函數(shù)?*/static?int?mem_access_task_entry(){????uint32_t?i?=?0;?????//循環(huán)變量 ????size_t?mem_size;????//申請(qǐng)的內(nèi)存塊大小 ????uint8_t*?mem_ptr?=?NULL;????//內(nèi)存塊指針 ????while?(1) ????{????????/*?每次循環(huán)將申請(qǐng)內(nèi)存的大小擴(kuò)大一倍?*/ ????????mem_size?=?1?<

編寫(xiě)完成之后，要將我們編寫(xiě)的 osal_mem_demo.c文件添加到makefile中，加入整個(gè)工程的編譯：

這里有個(gè)較為簡(jiǎn)單的方法，直接修改Demo文件夾下的user_demo.mk配置文件，添加如下代碼：

#example?for?osal_mem_demoifeq?($(CONFIG_USER_DEMO),?"osal_mem_demo")???? ????user_demo_src??=?${wildcard?$(TOP_DIR)/targets/STM32L431_BearPi/Demos/osal_kernel_demo/osal_mem_demo.c} endif

添加位置如圖：

這段代碼的意思是：

如果 CONFIG_USER_DEMO 宏定義的值是osal_mem_demo，則將osal_mem_demo.c文件加入到makefile中進(jìn)行編譯。

那么，如何配置 CONFIG_USER_DEMO 宏定義呢？在工程根目錄下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置：

因?yàn)槲覀冃薷牧薽k配置文件，所以點(diǎn)擊重新編譯按鈕進(jìn)行編譯，編譯完成后點(diǎn)擊下載按鈕燒錄程序。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

程序燒錄之后，即可看到程序已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行，在串口終端中可看到實(shí)驗(yàn)的輸出內(nèi)容：

linkmain:V1.2.1?AT?11:30:59?ON?Nov?28?2019 WELCOME?TO?IOT_LINK?SHELLLiteOS:/>access?1?bytes?memory?success! free?memory?success! access?2?bytes?memory?success! free?memory?success! access?4?bytes?memory?success! free?memory?success! access?8?bytes?memory?success! free?memory?success! access?16?bytes?memory?success! free?memory?success! access?32?bytes?memory?success! free?memory?success! access?64?bytes?memory?success! free?memory?success! access?128?bytes?memory?success! free?memory?success! access?256?bytes?memory?success! free?memory?success! access?512?bytes?memory?success! free?memory?success! access?1024?bytes?memory?success! free?memory?success! access?2048?bytes?memory?success! free?memory?success! access?4096?bytes?memory?success! free?memory?success! access?8192?bytes?memory?success! free?memory?success! access?16384?bytes?memory?success! free?memory?success! access?32768?bytes?memory?failed!