什么是內存管理？如何進行內存管理？及內存管理的方案與分析

前面已經將所有的硬件驅動實現(xiàn)，驗證了硬件功能。但是每一個硬件都是單獨測試的，而且并不完善。下一步，我們需要對各個驅動進行整合完善。在整合之前，需要做一些基礎工作。其中之一就是實現(xiàn)內存管理。什么叫內存管理呢？為什么要做內存管理？前面我們已經大概了解了程序中的變量現(xiàn)在我們復習一下：局部變量、全局變量。

局部變量在進入函數(shù)時從棧空間分配，退出函數(shù)前釋放。全局變量則在整個程序運行其中一直使用。在程序編譯時就已經分配了RAM空間。

那還有沒有第三種變量呢？可以說沒有。但是如果從生存周期上看，是有的：一個變量，在多個函數(shù)內使用，但是又不是整個程序運行期間都使用?；颍阂粋€變量，在一段時間內使用，不是整個程序運行生命周期都要用，但是用這個變量的函數(shù)會退出，然后重復進入（用static定義的局部變量相當于全局變量）

如果不使用動態(tài)內存管理，這樣的變量就只能定義為全局變量。如果將這些變量定義為指針，當要使用時，通過內存管理分配，使用完后就釋放，這就叫做動態(tài)分配。舉個實際的例子：

一個設備，有三種通信方式：串口，USB，網絡，在通信過程每個通信方式需要1K RAM。經過分析，3種通信方式不會同時使用。那么，如果不使用動態(tài)內存，則需要3K變量。如果使用內存管理動態(tài)分配，則只需要1K內存就可以了。（這個只是舉例，如果簡單的系統(tǒng)，確定三種方式不同時使用，可以直接復用內存）

通信方式只是舉例，其實一個系統(tǒng)中，并不是所有設備都一直使用，如果使用動態(tài)內存管理，RAM的峰值用量將會大大減少。

內存管理方案

不發(fā)明車輪，只優(yōu)化輪胎。

內存管理是編程界的一個大話題，有很多經典的方案。很多人也在嘗試寫新的方案。內存分配模塊我們使用K&R C examples作為基礎，然后進行優(yōu)化。K&R是誰？就是寫《C程序設計語言》的兩個家伙。如果你沒有這本書，真遺憾。這本書的8.7章節(jié)，《實例--存儲分配程序》，介紹了一種基本的存儲分配方法。代碼見alloc.c，整個代碼只有120行，而且結構很美。

K&R 內存管理方案分析

下面我們結合代碼分析這種內存分配方案。代碼在wujiqueUtilitiesalloc文件夾。

內存分析

初始化

在malloc函數(shù)中，如果是第一次調用就會初始化內存鏈表。代碼原來是通過獲取堆地址，在堆上建立內存池。我們把他改為更直觀的數(shù)組定義方式。內存建立后的內存視圖如下：

內存分配的最小單元是：

typedef struct ALLOC_HDR{ struct{ struct ALLOC_HDR *ptr; unsigned int size;/*本塊內存容量*/} s; unsigned int align; unsigned int pad;} ALLOC_HDR;

這也就是內存管理結構體。在32位ARM系統(tǒng)上，這個結構體是16字節(jié)。

第一次分配

每次分配，就是在一塊可以分配的空間尾部切割一塊出來，切割的大小是16字節(jié)的倍數(shù)，而且會比需要的內存多一塊頭。這塊頭在內存釋放時需要使用。這一塊，也就是內存管理的開銷。

分配釋放后

經過多次分配釋放后，內存可能如下圖，綠色是兩塊不連續(xù)的空閑塊，黃色是分配出去的塊。分配出去的塊，已經不在內存鏈表里面。

缺點

一般情況上面的代碼已經能滿足需求。但是，有以下缺陷：

缺點1：容易碎片化

分配使用首次適應法，也即是找到一塊大于等于要分配內存的空閑塊，立刻進行分配。這種方法的優(yōu)點是速度較快，缺點是容易內存碎片化，分配時將很多大塊內存切割成小內存了。經過多次分配后，很可能出現(xiàn)以下情況：

空閑內存總量還有10K，但是卻被分散在10個塊內，而且沒有大容量的內存塊，再申請2K內存就出現(xiàn)失敗。如果對時間并不是那么敏感，我們可以使用最適合法，也即是遍歷空閑鏈表，查找一個最合適的內存（大于要分配內存且容量最小的空閑塊），減少大內存被切碎的概率。需要注意的是，最適合法，除了會增加分配時間，不會減少內存碎片數(shù)量，只是增加了空閑內存的集中度。假設經過多次分配后，空閑總量還是10K，也是分散在10個空閑塊，但是在這10個空閑塊中，會有5K的大塊，再申請2K的時候，就可以申請到2K內存了。

缺點2：內存消耗

內存分配方案使用了一個結構體，每次分配的最小單位就是這個結構體的大小16字節(jié)。

typedef struct ALLOC_HDR{ struct{ struct ALLOC_HDR *ptr; unsigned int size;/*本塊內存容量*/} s; unsigned int align; unsigned int pad;} ALLOC_HDR;

一次分配，最少就是2個結構體（一個結構體用于管理分配出去的內存，其余結構體做為申請內存），也就是32字節(jié)。如果代碼有大量小內存申請，例如申請100次8個字節(jié)

需求內存：100X8=800字節(jié)實際消耗內存100X32 = 3200字節(jié)利用率只有800/3200 =25%

如果內存分配只有25%的使用率，對于小內存嵌入式設備來說，是致命的方案缺陷。

如何解決呢？我們可以參考LINUX內存分配方案SLAB。在LINUX中，有很多模塊需要申請固定大小的內存（例如node結構體），為了加快分配速度，系統(tǒng)會使用malloc先從大內存池中申請一批node結構體大小的內存，作為一個slab內存池。當需要分配node結構體時，就直接從slab內存池申請。同理，可以將內存分配優(yōu)化為：需要小內存時，從大塊內存池分配一塊大內存，例如512，使用新算法管理，用于小內存分配。當512消耗盡，再從大內存池申請第二塊512字節(jié)大內存。當小內存釋放時，判斷小塊內存池是否為空，如為空，將小塊內存池釋放回大內存池。那如何管理這個小內存池呢？

缺點3：沒有管理已分配內存

內存分配沒有將已分配內存管理起來。我們可以對已分配內存進行統(tǒng)一管理：

1 已分配內存在頭部有原來的結構體，通過ptr指針，將所有已分配內存連接在已分配鏈表上。2 利用不使用的align跟pad成員，記錄分配時間跟分配對象（記錄哪個驅動申請的內存）

通過上面優(yōu)化后，就可以統(tǒng)計已經分配了多少內存，還有多少空閑內存，哪個模塊申請了最多內存等數(shù)據。

使用

1 將代碼中的所有free改為為wjq_free，malloc改為wjq_malloc。

串口緩沖用了free跟malloc.fatfs的syscall.c 用了lwip的mem.h用了。

2 修改啟動代碼， 棧跟堆改小。不用庫的malloc，堆可以完全不要。棧，還是要保留，但是不需要那么大，如果函數(shù)內用到比較大的局部變量，改為動態(tài)申請。

Stack_Size EQU 0x00002000

AREA STACK， NOINIT， READWRITE， ALIGN=3Stack_Mem SPACE Stack_Size__initial_sp

; 《h》 Heap Configuration; 《o》 Heap Size （in Bytes） 《0x0-0xFFFFFFFF:8》; 《/h》

Heap_Size EQU 0x00000010

AREA HEAP， NOINIT， READWRITE， ALIGN=3__heap_baseHeap_Mem SPACE Heap_Size__heap_limit

3 內存池開了80K，編譯不過

linking.。..Objectswujique.axf： Error： L6406E： No space in execution regions with .ANY selector matching dev_touchscreen.o（.bss）。.Objectswujique.axf： Error： L6406E： No space in execution regions with .ANY selector matching mcu_uart.o（.bss）。.Objectswujique.axf： Error： L6406E： No space in execution regions with .ANY selector matching etharp.o（.bss）。.Objectswujique.axf： Error： L6406E： No space in execution regions with .ANY selector matching mcu_can.o（.bss）。.Objectswujique.axf： Error： L6406E： No space in execution regions with .ANY selector matching netconf.o（.bss）。先把內存池改小，編譯通過之后，分析 map文件，用了較多全局變量的統(tǒng)統(tǒng)改小或者改為動態(tài)申請。分析map文件，還可以檢查還有沒有使用庫里面的malloc。Code （inc. data） RO Data RW Data ZI Data Debug Object Name 124 32 0 4 40976 1658 alloc.o 16 0 0 0 0 2474 def.o 96 34 8640 4 0 1377 dev_dacsound.o 300 36 0 0 0 2751 dev_esp8266.o 204 38 0 1 0 1446 dev_key.o 436 98 0 10 16 3648 dev_touchkey.o 310 18 0 14 3000 3444 dev_touchscreen.o 932 18 0 4 0 15981 dhcp.o 0 0 0 0 3964 5933 dual_func_demo.o 280 14 12 0 200 5963 etharp.o 0 0 0 0 0 35864 ethernetif.o 0 0 0 0 0 3820 inet.o 98 0 0 0 0 2022 inet_chksum.o 0 0 0 0 0 4163 init.o 168 4 0 20 0 4763 ip.o 0 0 4 0 0 6463 ip_addr.o 386 4 0 0 0 4118 ip_frag.o 264 38 0 8 16 383399 main.o 84 8 0 0 0 1410 mcu_adc.o 60 32 0 1 68 1511 mcu_can.o 12 0 0 0 0 521 mcu_dac.o 128 14 0 0 0 2352 mcu_i2c.o 28 8 0 1 0 630 mcu_i2s.o 336 92 0 0 0 2689 mcu_rtc.o 430 86 0 1 0 4396 mcu_timer.o 1564 82 0 0 328 9072 mcu_uart.o 504 20 0 12 0 4510 mem.o 56 10 0 0 9463 3250 memp.o 120 14 0 0 0 1651 misc.o 0 0 0 0 56 1066 netconf.o 118 0 0 0 0 4267 netif.o 684 0 0 0 0 6971 pbuf.o 36 8 392 0 8192 824 startup_stm32f40_41xxx.o

alloc.o 內存池dev_touchscreen.o 觸摸屏緩沖dual_func_demo.o USB，應該能優(yōu)化memp.o 什么鬼？又一個內存池？應該是要優(yōu)化掉startup_stm32f40_41xxx.o 啟動代碼，是棧跟堆用的RAM.

由于編譯器的優(yōu)化，項目沒用到的代碼沒有編譯進來，上面的map數(shù)據并不完整。等后面我們做完全部測試程序，所有用到的代碼都會參與連接，到時還需要優(yōu)化一次。

總結

內存管理暫時到此，等后面所有功能都完成后，再進行一次優(yōu)化。如果對內存分配時間有更高要求，可使用伙伴內存分配法。
編輯：lyn