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设计文档
一、前言
1.1 项目简要说明
背景
在嵌入式系统、操作系统内核或高性能中间件中，动态内存管理是核心组件之一。标准库（如 malloc/free）虽然通用，但在实时性、确定性、碎片控制等方面存在不足。因此，需要一个轻量级、可配置、高效且可移植的内存管理器，以支持不同分配策略（如 First-fit 和 Best-fit），满足对内存利用率和响应速度有严格要求的应用场景。
需求
开发一个基于固定内存池的动态内存管理模块，支持以下特性：
- 支持 First-fit 和 Best-fit 两种内存分配策略；
- 提供初始化、分配、释放、状态查询、效率计算和调试打印等完整功能；
- 具备良好的性能、低内存开销和可预测的行为；
- 可用于资源受限环境（如嵌入式系统）；
- 模块化设计，便于集成与扩展。
本模块为某链表项目中的内存管理子系统，负责为上层数据结构（如链表节点）提供高效的内存分配服务。
1.2 任务概述
本设计文档针对“内存管理器算法库”这一子系统进行详细设计，属于链表项目的底层支撑模块。其主要任务是：
- 在指定内存池上实现动态内存分配与回收；
- 支持策略切换（First-fit / Best-fit）；
- 统计内存使用情况与碎片信息；
- 提供清晰的接口供上层模块调用。
1.3 术语定义
| 术语 | 定义 |
|---|---|
| 内存池 | 预先分配的一块连续内存区域，作为内存管理器的操作空间。 |
| 空闲块（Free Block） | 当前未被使用的内存块，记录在空闲链表中。 |
| 已分配块（Allocated Block） | 已分配给用户的内存块，记录在已分配链表中。 |
| First-fit | 分配策略，从空闲链表头部开始查找第一个大小足够的块。 |
| Best-fit | 分配策略，遍历整个空闲链表，选择满足条件的最小块。 |
| 内部碎片 | 分配给用户但未使用的内存（因对齐或分割导致）。 |
| 外部碎片 | 多个分散的小空闲块总和，无法满足大块请求。 |
| 内存对齐 | 内存地址按特定边界（如8字节）对齐，保证访问效率与安全。 |
| 块头（MEM_BLOCK） | 每个内存块前的元数据结构，包含大小、状态、指针等信息。 |
1.4 参考资料
- 《Operating System Concepts》 – Abraham Silberschatz et al. （内存管理章节）
- 《The Design of the UNIX Operating System》 – Maurice J. Bach
- ANSI C 标准库文档（
stdlib.h,string.h） - Linux 内核 slab 分配器设计思想
- 自研嵌入式系统内存管理实践案例
二、需求分析
2.1 系统对外提供的功能
内存管理器对外提供如下核心功能接口：
| 接口函数 | 功能描述 |
|---|---|
mem_manager_init() | 初始化内存管理器，绑定内存池 |
mem_manager_set_strategy() | 设置分配策略（First-fit / Best-fit） |
mem_manager_alloc() | 分配指定大小的内存块 |
mem_manager_free() | 释放已分配的内存块 |
mem_manager_get_status() | 获取当前内存使用状态（空闲/已用/碎片数） |
mem_manager_calc_efficiency() | 计算内存使用效率 |
mem_manager_dump() | 打印内存管理器当前状态（调试用） |
2.2 功能项分类
根据功能职责，划分为以下子模块：
| 模块名称 | 功能说明 |
|---|---|
| 初始化模块 | 完成管理器结构体和内存池的初始化 |
| 策略管理模块 | 支持运行时切换 First-fit / Best-fit 策略 |
| 分配模块 | 实现内存分配逻辑，支持对齐与块分割 |
| 释放模块 | 实现内存释放与空闲块合并 |
| 统计模块 | 收集内部/外部碎片、分配次数等统计信息 |
| 调试模块 | 提供状态打印与内存布局查看功能 |
2.3 功能分类之间的关系
+------------------+| 初始化模块 |+--------+---------+|v+-------------+-------------+| 策略管理模块 |+-------------+-------------+|+---------v---------+ +------------------+| 分配模块 <-------