實(shí)時(shí)系統(tǒng)中動(dòng)靜結(jié)合的內(nèi)存管理實(shí)現(xiàn)

摘要：提出了實(shí)時(shí)系統(tǒng)中內(nèi)存管理的一種實(shí)現(xiàn)方法。該方法采用動(dòng)靜結(jié)合的方式，給用戶提供了比較大的自由度，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性。本文主要從實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵字： 實(shí)時(shí)系統(tǒng)  內(nèi)存管理  實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)存分配

　　實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各任務(wù)不僅要執(zhí)行無(wú)誤而且要做到準(zhǔn)時(shí)；軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各任務(wù)運(yùn)行的越快越好，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成。

　　可以看出動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配是絕對(duì)不能用于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的，因?yàn)閯?dòng)態(tài)分配具有時(shí)間不確定性（分配時(shí)間與內(nèi)存塊數(shù)量有關(guān)），而且動(dòng)態(tài)分配可能產(chǎn)生分配不成功的情況。所以對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，只能采用靜態(tài)內(nèi)存分配方式。靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時(shí)將程序所需的內(nèi)存空間分配好，這樣不會(huì)出現(xiàn)分配失敗的情況。

　　其實(shí)對(duì)于大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，內(nèi)存分配都是采用兩種方式的結(jié)合，即動(dòng)靜結(jié)合的分配方式。

　　2. 動(dòng)靜結(jié)合內(nèi)存分配的一種實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于整個(gè)內(nèi)存，把它分為4個(gè)部分，即中斷向量區(qū)、系統(tǒng)映射區(qū)、系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)和用戶內(nèi)存區(qū)。如圖1所示。

　　其中中斷向量表和系統(tǒng)映射區(qū)在編譯時(shí)已經(jīng)設(shè)定好，即采用靜態(tài)分區(qū)的方式。剩下的兩個(gè)部分可以按用戶要求配置。

　　2.1 系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)分區(qū)

　　對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，還需要要進(jìn)行分區(qū)操作，使它產(chǎn)生多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)中內(nèi)存塊的大小相等，各個(gè)分區(qū)之間內(nèi)存塊大小不等。這樣來(lái)滿足多種內(nèi)存申請(qǐng)需求。

　　2.1.1 系統(tǒng)分區(qū)類(lèi)結(jié)構(gòu)定義

　　系統(tǒng)建立了一個(gè)內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)指向下一個(gè)內(nèi)存塊的指針構(gòu)成，因?yàn)橄到y(tǒng)使用單向鏈表來(lái)管理空閑內(nèi)存塊，所以必須用每個(gè)內(nèi)存塊的這個(gè)指針來(lái)讓所有的空閑內(nèi)存塊連成一個(gè)鏈表。                               

　　結(jié)構(gòu)如下:
　　struct memblock
　　{
　　void * next;
　　};

　　對(duì)于內(nèi)存分區(qū)，采用

　　對(duì)于塊內(nèi)存的申請(qǐng)，采用c語(yǔ)言提供的malloc函數(shù)從內(nèi)存中申請(qǐng)。這對(duì)于程序設(shè)計(jì)者而言提供了極大的方便，對(duì)于系統(tǒng)分區(qū)不適合嵌入式應(yīng)用（該實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中）需求的情況下，可以刪除該分區(qū)另外再建立。不過(guò)這樣做的情況應(yīng)該盡可能少，因?yàn)槎啻握{(diào)用malloc/free會(huì)產(chǎn)生較多的內(nèi)存碎片。在做設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡可能預(yù)先設(shè)定好分區(qū)數(shù)量和各個(gè)分區(qū)中內(nèi)存塊的數(shù)量和大小，盡管系統(tǒng)提供了重建分區(qū)的功能。

　　每個(gè)塊內(nèi)存的第一部分存儲(chǔ)該分區(qū)對(duì)象，其后才是各個(gè)內(nèi)存塊。在內(nèi)存塊空閑時(shí)，其內(nèi)部存儲(chǔ)了下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的的指針。分配以后，該信息丟失，直接分配給申請(qǐng)者，這樣省掉了存儲(chǔ)每個(gè)內(nèi)存塊信息額外的RAM開(kāi)銷(xiāo)。內(nèi)存釋放時(shí)，直接加到該分區(qū)空閑內(nèi)存鏈表的尾部，同時(shí)設(shè)定下一個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存塊信息為NULL。這樣在多次分配與釋放后，內(nèi)存塊的位置會(huì)發(fā)生比較大的變化。

　　系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)全局鏈表 mempartion **partition_list 來(lái)存儲(chǔ)所有的內(nèi)存分區(qū)指針，該鏈表的長(zhǎng)度可以動(dòng)態(tài)定義。也就是說(shuō)分區(qū)的數(shù)量可以動(dòng)態(tài)定義。鏈表中的分區(qū)需要進(jìn)行排序，排序的標(biāo)準(zhǔn)是每個(gè)分區(qū)中內(nèi)存塊的大小，內(nèi)存塊小的分區(qū)排在前面，內(nèi)存塊大的排在后面。因?yàn)榉謪^(qū)采用首次適配的算法，排序以后可以減少內(nèi)存浪費(fèi)。

　　同時(shí)，系統(tǒng)提供了Mem_Alloc/Mem_Free兩個(gè)函數(shù)來(lái)支持系統(tǒng)分區(qū)的申請(qǐng)和釋放。申請(qǐng)的算法很簡(jiǎn)單，采用首次適配方法從分區(qū)鏈表中找到合適內(nèi)存分區(qū)，如果該區(qū)空閑內(nèi)存鏈表不為空，則返回該鏈表第一個(gè)內(nèi)存塊地址，否則查看下一個(gè)分區(qū)。如果找不到合適的內(nèi)存塊，則返回空指針。

　　釋放算法稍微復(fù)雜一些，它需要先檢查該內(nèi)存塊屬于哪個(gè)分區(qū)。這樣做非常必要，如果把一個(gè)小塊放到大塊的內(nèi)存分區(qū)中，一個(gè)任務(wù)申請(qǐng)了該空間，則該空間的一部分將跨越到另一個(gè)內(nèi)存塊，對(duì)該內(nèi)存塊的操作可能覆蓋另一個(gè)內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)。如果把一個(gè)大塊放到了小塊的分區(qū)中，則在分配的時(shí)候?qū)⒎峙淞硕嘤嗟目臻g，造成了內(nèi)存空間的浪費(fèi)。找到所  圖2創(chuàng)建內(nèi)存分區(qū)流程圖

　　屬分區(qū)后，直接把該塊放到該區(qū)空閑內(nèi)存鏈表的尾部。

　　上述系統(tǒng)分區(qū)的方式其實(shí)是小范圍動(dòng)態(tài)分區(qū)上實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)方式。因?yàn)槊總€(gè)內(nèi)存塊大小是固定的，這樣不可避免地要浪費(fèi)一部分空間。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決，系統(tǒng)還提供了一種純動(dòng)態(tài)的解決辦法，就是調(diào)用malloc/free函數(shù)來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存塊。

　　2.1.3 內(nèi)存用戶區(qū)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配

　　從內(nèi)存劃分圖中可以看到有一塊用戶內(nèi)存區(qū)，這是一塊內(nèi)核不會(huì)使用的內(nèi)存區(qū)。該區(qū)留給用戶使用，對(duì)于這塊區(qū)域的申請(qǐng)和釋放不調(diào)用系統(tǒng)提供的Mem_Alloc/Mem_Free函數(shù)，而是直接調(diào)用c語(yǔ)言提供的malloc/free函數(shù)。malloc具有不確定性，因?yàn)樗膱?zhí)行時(shí)間和空閑內(nèi)存塊的數(shù)量有關(guān)，而且多次使用malloc/free調(diào)用和釋放內(nèi)存塊，可能產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片。所以這種方式的調(diào)用要謹(jǐn)慎。由于用戶內(nèi)存區(qū)大小是可配置的，所以用戶可以控制該區(qū)大小以減少碎片產(chǎn)生的問(wèn)題。同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)調(diào)用，例如任務(wù)堆棧分配，不會(huì)因?yàn)樗槠喽鴮?dǎo)致分配失敗的問(wèn)題。

　　3. 小結(jié)

　　動(dòng)靜結(jié)合的方式給用戶提供了比較大的自由度，用戶可以從系統(tǒng)分區(qū)中申請(qǐng)內(nèi)存塊，也可以從用戶內(nèi)存區(qū)申請(qǐng)內(nèi)存塊。這樣增加了系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)也限制了大量碎片產(chǎn)生的可能（在不頻繁刪除建立系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)的前提下）。也增加了部分c代碼的可移植性。

　　4. 參考文獻(xiàn)

　　曾非一、桑 楠、熊光澤，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存管理方案研究。
　　Jean J.Labrosse 著，邵貝貝 譯，μC/OS-Ⅱ源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，中國(guó)電力出版社，2001。
　　William Stallings著，魏迎梅等譯，操作系統(tǒng)--內(nèi)核與設(shè)計(jì)原理，電子工業(yè)出版社，2001。

　　作者簡(jiǎn)介：
　　楊雷：男，1977年12月6日，漢，碩士，計(jì)算機(jī)應(yīng)用，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　吳玨：女，1978年8月26日，漢，碩士，計(jì)算機(jī)應(yīng)用，教學(xué)和研究。

　　導(dǎo)師簡(jiǎn)介:
　　陳汶濱，副教授，男，1965年5月1日，漢，碩士，計(jì)算機(jī)應(yīng)用，教學(xué)和研究。