RT_Thread——内存管理

一、为什么要自己实现内存管理

后续的章节涉及这些内核对象：thread(线程)、messagequeue(消息队列)、semaphore(信号量)和rt_event(事件集)等。

为了让RT-Thread 更容易使用，这些内核对象一般都是动态分配：用到时分配，不使用时释放。

使用内存的动态管理功能，简化了程序设计：不再需要小心翼翼地提前规划各类对象，简化API 函数的涉及，甚至可以减少内存的使用。

内存的动态管理是 C 程序的知识范畴，并不属于 RT-Thread 的知识范畴，但是它跟 RT-Thread 关系是如此紧密，所以我们先了解它。

在C语言的库函数中，有mallc、free等函数，但是在RT-Thread 中，它们不适用：

• 不适合用在资源紧缺的嵌入式系统中
• 这些函数的实现过于复杂、占据的代码空间太大
• 并非线程安全的(thread-safe)
• 运行有不确定性：每次调用这些函数时花费的时间可能都不相同
• 内存碎片化
• 使用不同的编译器时，需要进行复杂的配置
• 有时候难以调试

注意：我们经常"堆栈"混合着说，其实它们不是同一个东西：

• 堆，heap，就是一块空闲的内存，需要提供管理函数
  • malloc：从堆里划出一块空间给程序使用
  • free：用完后，再把它标记为"空闲"的，可以再次使用
• 栈，stack，函数调用时局部变量保存在栈中，当前程序的环境也是保存在栈中
  • 可以从堆中分配一块空间用作栈

二、RT-Thread 的内存管理方法

RT-Thread 中内存管理的接口函数为：rt_malloc 、rt_free，对应于 C 库的 malloc、free。

RT-Thread 为了满足不同的需求，提供三种内存栈管理方法，三种方法都使用一样的函数进行操作。

在系统运行时只能选择其中一种方法，甚至可以不使用内存堆管理机制也可以：代码里不调用rt_malloc 函数。

通常在 Keill 工程目录，可以找到 rtconfig.h，可以在里面配置这些宏之一，选择某个文件：

• RT_USING_SMALL_MEM：默认使用的是小内存管理算法(SMALL_MEM)
• RT_USING_SLAB：slab 管理方法
• RT_USING_MEMHEAP：memheap 管理方法

/* Memory Management */ 
##define RT_USING_HEAP            /* 使用堆 */ 
##define RT_USING_SMALL_MEM       /* 使用哪种堆管理方法 */ 
##define RT_USING_MEMPOOL         /* 使用内存池: 从堆里分配内存后进行二次管理 */ 

2.1 小内存管理算法

小内存管理算法是最简单的内存分配算法，需要内存就分割一块：

• 初始时，内存是一块大内存，需要分配内存时，从这块大内存分割一块内存
• 每块内存，都包含一个管理用的数据头，里面有指向下一个内存块的指针，通过链表的形式串起来
• 数据头包含四个成员：magic(一个固定值，作为标志指示内存块是否被非法改写)、used(指示内存是否分配使用)、next(指向下一个块内存)、prev(指向上一块内存)

使用小内存管理算法时，内存分配过程如下图所示：

• 假设已经使用这个方法管理了内存，当前时刻空闲链表指针 lfree 指向大小为32字节的内存块
• 当用户需要分配一个64字节的内存块时，lfree指向的内存块只有32字节不能满足要求，内存管理器会继续寻找下一内存块
• 下一内存块只有60字节，而且已经分配了，因此继续寻找下一内存块
• 下一内存块有128 字节，且没有使用过，满足需求，但这块内存比较大，分配器会将剩下的内存块，继续放在链表中
• 这里内存块原来为128字节，使用64字节，另外数据头占据12字节，就只剩下52字节

内存释放过程如下：

• 释放时，分配器查看前后相邻的内存块是否空闲，如果空闲则合并为一块大内存

2.2 slab 管理算法

小内存管理算法需要频繁的分配、释放内存，可能会影响系统效率。

当系统内存比较大，我们可以提前分配好若干大小的内存块，直接供给线程使用，可以一定程度的提高效率，但会浪费一些内存。

slab 管理方法的核心在于有多个链表，每个链表中存放相同大小的内存块：

• 每个 zone_array 数据项就是一个链表，里面存放有多个 zone，zone 里有多个固定大小的小内存块
  • zone_array[0]里存放这些 zone，它们被分为小内存块，这些小内存块大小都是8字节
  • zone_array[1]里存放这些 zone，它们被分为小内存块，这些小内存块大小都是16字节
  • …
  • zone_array[71]里存放这些 zone，它们被分为小内存块，这些小内存块大小都是16K字节

下面以情景分析的方法演示slab管理方法，假设想分配32字节的空间：

1. 初始状态：zone_array[3]为空
   
2. 调用rt_malloc(32)，发现zone_array[3]为空，于是向页分配器申请一大块内存，这被称为zone
   
3. 从这个zone中，分配得到一个小内存块，它被称为chunk：下图中32字节的小内存被称为chunk
   
4. zone_array[3]指向 zone，并且 rt_malloc(32)返回这个 chunk
5. 再次调用rt_malloc(32)，发现zone_array[3]非空，于是从这个 zone 中继续分配 32 字节的chunk：
   
   下面再次以情景分析的方法演示slab 管理方法，假设释放上面分配得到的2 个chunk：

(1) 这两个chunk 会被放入zone的z_freechunk 链表：

(2) 这时这个zone 就全部是空闲状态，如果zone_array[3]还有其他zone 可用于分配内存，那么这个全部空闲的zone就会从zone_array[3]中移除，放入zone_free 链表

2.3 memheap 管理算法

在嵌入式系统中，除了芯片内部的内存，可能还会外扩内存。

memheap 管理算法就是针对这种情况，可以将多个地址不连续的内存堆，组成一个大的内存堆。

RT-Thread 通过 memheap_item 链表，将多个内存堆进行连接。

当分配内存时，会先尝试从默认的内存堆分配内存，当分配失败时，再去 memheap_item 链表一次尝试其它内存堆。

对于用于的应用程序而言，不用关心内部实现，就当作在一个内存堆上操作。

这三种算法，可以比作吃西瓜：

• 对于小内存管理算法：一个西瓜，自己要吃多少，就去切多少
• 对于slab 管理算法：一个西瓜，已经切好了若干大小，自己要吃多少，就去拿对应大小的
• 对于memheap管理算法：两个西瓜，第一个吃完了，就去吃第二个

三、Heap 相关的函数

3.1 rt_system_heap_init

函数原型：

void rt_system_heap_init(void* begin_addr, void* end_addr);

作用：如果要使用内存堆，必须调用该函数进行初始化堆，参数为堆的开始地址和结束地址

该函数通常在 board.c 或 drv_common.c 等类似的系统初始化里

3.2 rt_malloc/rt_realloc/rt_calloc

函数原型：

void *rt_malloc(rt_size_t nbytes); 
void *rt_realloc(void *rmem, rt_size_t newsize); 
void *rt_calloc(rt_size_t count, rt_size_t size); 

作用：

• rt_malloc：从内存堆中找到 nbytes 大小的内存，返回内存块地址
• rt_realloc：将已分配的内存 rmem 重新分配为 newsize 大小。若大小增加，原来的内存块数据不变；若缩小，后面的数据将被截断
• rt_calloc：从内存堆中分配 count 个，大小为 size 的内存块，返回首个内存块的地址

2.3 rt_free

函数原型：

void rt_free (void *ptr); 

作用：申请的内存使用完后，必须调用该函数进行释放，否则会造成内存泄漏

2.4 rt_malloc_sethook/rt_free_sethook

函数原型：

void rt_malloc_sethook(void (*hook)(void *ptr, rt_size_t size)); 
void rt_free_sethook(void (*hook)(void *ptr)); 

作用：

• rt_malloc_sethook：内存分配完成后，将回调本函数，用户可以自己设置钩子函数的内容
• rt_free_sethook：内存释放完成前，将回调本函数，用户可以自己设置钩子函数的内容