如何高效管理MCU內(nèi)存? 多種分配算法對比？

本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。

內(nèi)存的基本概念

內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對于CPU來說的，CPU可以直接尋址的存儲空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過驅(qū)動(dòng)才能訪問的叫做外存。

ROM RAM Flash

內(nèi)存一般采用半導(dǎo)體存儲單元，分為只讀存儲器（ROM，Read Only Memory）、隨機(jī)存儲器（RAM，Random Access Memory）ROM一般只能讀取不能寫入，掉電后其中的數(shù)據(jù)也不會丟失。RAM既可以從中讀取也可以寫入，但是掉電后其中的數(shù)據(jù)會丟失。內(nèi)存一般指的就是RAM。

ROM在嵌入式系統(tǒng)中一般用于存儲BootLoader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當(dāng)硬盤使用。近年來閃存（Flash）已經(jīng)全面代替了ROM在嵌入式系統(tǒng)中的地位，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程的特性，而且斷電也不會丟失數(shù)據(jù)，同時(shí)可以快速讀取數(shù)據(jù)。

兩類內(nèi)存管理方式

內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，它是操作系統(tǒng)的核心模塊之一。主要包括內(nèi)存的初始化、分配以及釋放。

從分配內(nèi)存是否連續(xù)，可以分為兩大類。

連續(xù)內(nèi)存管理：

為進(jìn)程分配的內(nèi)存空間是連續(xù)的，但這種分配方式容易形成內(nèi)存碎片（碎片是難以利用的空閑內(nèi)存，通常是小內(nèi)存），降低內(nèi)存利用率。連續(xù)內(nèi)存管理主要分為單一連續(xù)內(nèi)存管理和分區(qū)式內(nèi)存管理兩種。

非連續(xù)內(nèi)存管理：

將進(jìn)程分散到多個(gè)不連續(xù)的內(nèi)存空間中，可以減少內(nèi)存碎片，內(nèi)存使用率更高。如果分配的基本單位是頁，則稱為分頁內(nèi)存管理；如果基本單位是段，則稱為分段內(nèi)存管理。

當(dāng)前的操作系統(tǒng)，普遍采用非連續(xù)內(nèi)存管理方式。不過因?yàn)榉峙淞６容^大，對于內(nèi)存較小的嵌入式系統(tǒng)，一般采用連續(xù)內(nèi)存管理。本文主要對嵌入式系統(tǒng)中常用的連續(xù)內(nèi)存管理的分區(qū)式內(nèi)存管理進(jìn)行介紹。

分區(qū)式內(nèi)存管理

分區(qū)式內(nèi)存管理分為固定分區(qū)和動(dòng)態(tài)分區(qū)。

固定分區(qū)：

事先就把內(nèi)存劃分為若干個(gè)固定大小的區(qū)域。分區(qū)大小既可以相等也可以不等。固定分區(qū)易于實(shí)現(xiàn)，但是會造成分區(qū)內(nèi)碎片浪費(fèi)，而且分區(qū)總數(shù)固定，限制了可以并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程數(shù)量。

動(dòng)態(tài)分區(qū)：

根據(jù)進(jìn)程的實(shí)際需要，動(dòng)態(tài)地給進(jìn)程分配所需內(nèi)存。

動(dòng)態(tài)分區(qū)式內(nèi)存管理

01、運(yùn)作機(jī)制

動(dòng)態(tài)分區(qū)管理一般采用空閑鏈表法，即基于一個(gè)雙向鏈表來保存空閑分區(qū)。對于初始狀態(tài)，整個(gè)內(nèi)存塊都會被作為一個(gè)大的空閑分區(qū)加入到空閑鏈表中。當(dāng)進(jìn)程申請內(nèi)存時(shí)，將會從這個(gè)空閑鏈表中找到一個(gè)大小滿足要求的空閑分區(qū)。如果分區(qū)大于所需內(nèi)存，則從該分區(qū)中拆分出需求大小的內(nèi)存交給進(jìn)程，并將此拆分出的內(nèi)存從空閑鏈表中移除，剩下的內(nèi)存仍然是一個(gè)掛在空閑鏈表中的空閑分區(qū)。

02、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

空閑鏈表法有多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這里介紹一種較為簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)空閑分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含分區(qū)的大小，以及指向前一個(gè)分區(qū)和后一個(gè)分區(qū)的指針，這樣就能將各個(gè)空閑分區(qū)鏈接成一個(gè)雙向鏈表。

03、內(nèi)存分配算法

First Fit (首次適應(yīng)算法)

First Fit要求空閑分區(qū)鏈表以地址從小到大的順序連接。分配內(nèi)存時(shí)，從鏈表的第一個(gè)空閑分區(qū)開始查找，將最先能夠滿足要求的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。

Next Fit (循環(huán)首次適應(yīng)算法)

Next Fit由First Fit算法演變而來。分配內(nèi)存時(shí)，從上一次剛分配過的空閑分區(qū)的下一個(gè)開始查找，直至找到能滿足要求的空閑分區(qū)。查找時(shí)會采用循環(huán)查找的方式，即如果直到鏈表最后一個(gè)空閑分區(qū)都不能滿足要求，則返回到第一個(gè)空閑分區(qū)開始查找。

Best Fit (最佳適應(yīng)算法)

從所有空閑分區(qū)中找出能滿足要求的、且大小最小的空閑分區(qū)。為了加快查找速度，Best Fit算法會把所有空閑分區(qū)按其容量從小到大的順序鏈接起來，這樣第一次找到的滿足大小要求的內(nèi)存必然是最小的空閑分區(qū)。

Worst Fit (最壞適應(yīng)算法)

從所有空閑分區(qū)中找出能滿足要求的、且大小最大的空閑分區(qū)。Worst Fit算法按其容量從大到小的順序鏈接所有空閑分區(qū)。

Two LevelSegregated Fit (TLSF)

使用兩層鏈表來管理空閑內(nèi)存，將空閑分區(qū)大小進(jìn)行分類，每一類用一個(gè)空閑鏈表表示，其中的空閑內(nèi)存大小都在某個(gè)特定值或者某個(gè)范圍內(nèi)。這樣存在多個(gè)空閑鏈表，所以又用一個(gè)索引鏈表來管理這些空閑鏈表，該表的每一項(xiàng)都對應(yīng)一種空閑鏈表，并記錄該類空閑鏈表的表頭指針。

圖中，第一層鏈表將空閑內(nèi)存塊的大小根據(jù)2的冪進(jìn)行分類。第二層鏈表是具體的每一類空閑內(nèi)存塊按照一定的范圍進(jìn)行線性分段。

比如25這一類，以23即8分為4個(gè)內(nèi)存區(qū)間

【25，25+8），

【25+8，25+16），

【25+16，25+24），

【25+24，25+32）；

216這一類，以214分為4個(gè)小區(qū)間

【216，216+214），

【216+214，216+2*214），

【216+2*214，216+3*214），

【216+3*214，216+4*214）。

同時(shí)為了快速檢索到空閑塊，每一層鏈表都有一個(gè)bitmap用于標(biāo)記對應(yīng)的鏈表中是否有空閑塊，比如第一層bitmap后3位010，表示25這一類內(nèi)存區(qū)間有空閑塊。對應(yīng)的第二層bitmap為0100表示【25+16，25+24）這個(gè)區(qū)間有空閑塊，即下面的52Byte。

Buddysystems（伙伴算法）

Segregated Fit算法的變種，具有更好的內(nèi)存拆分和回收合并效率。伙伴算法有很多種類，比如BinaryBuddies，F(xiàn)ibonacci Buddies等。Binary Buddies是最簡單也是最流行的一種，將所有空閑分區(qū)根據(jù)分區(qū)的大小進(jìn)行分類，每一類都是具有相同大小的空閑分區(qū)的集合，使用一個(gè)空閑雙向鏈表表示。BinaryBuddies中所有的內(nèi)存分區(qū)都是2的冪次方。

因?yàn)闊o論是已分配的或是空閑的分區(qū)，其大小均為 2 的冪次方，即使進(jìn)程申請的內(nèi)存小于分配給它的內(nèi)存塊，多余的內(nèi)存也不會再拆分出來給其他進(jìn)程使用，這樣就容易造成內(nèi)部碎片。

當(dāng)進(jìn)程申請一塊大小為n的內(nèi)存時(shí)的分配步驟為：

a、計(jì)算一個(gè)i值，使得2i-1

b、在空閑分區(qū)大小為2i的空閑鏈表中查找。

c、如果找到空閑塊，則分配給進(jìn)程。

d、如果2i的空閑分區(qū)已經(jīng)耗盡，則在分區(qū)大小為2i+1的空閑鏈表中查找。

e、如果存在2i+1的空閑分區(qū)，則將此空閑塊分為相等的兩個(gè)分區(qū)，這兩分區(qū)就是一對伙伴，其中一塊分配給進(jìn)程，另一塊掛到分區(qū)大小為2i的空閑鏈表中。

f、如果2i+1的空閑分區(qū)還是不存在，則繼續(xù)查找大小為2i+2的空閑分區(qū)。如果找到，需要進(jìn)行兩次拆分。第一次拆分為兩塊大小為2i+1的分區(qū)，一塊分區(qū)掛到大小為2i+1的空閑鏈表中，另一塊分區(qū)繼續(xù)拆分為兩塊大小為2i的空閑分區(qū)，一塊分配給進(jìn)程，另一塊掛到大小為2i的空閑鏈表中。

g、如果2i+2的空閑分區(qū)也找不到，則繼續(xù)查找2i+3，以此類推。

在內(nèi)存回收時(shí)，如果待回收的內(nèi)存塊與空閑鏈表中的一塊內(nèi)存互為伙伴，則將它們合并為一塊更大的內(nèi)存塊，如果合并后的內(nèi)存塊在空閑鏈表中還有伙伴，則繼續(xù)合并到不能合并為止，并將合并后的內(nèi)存塊掛到對應(yīng)的空閑鏈表中。

下面的表格對上面6種算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較：

來源：LiteOS物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)
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審核編輯 黃宇