RT-Thread快速入门-动态内存堆管理

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每种 RTOS 均有内存管理机制，RT-Thread 的内存管理分为两类：动态内存堆管理、内存池管理。

本篇文章先来介绍一下动态内存堆管理相关的内容。

内存堆管理机制

RT-Thread 操作系统在内存管理上，根据上层应用及系统资源的不同，有针对性地提供了不同的内存分配管理算法。内存堆管理根据具体内存设备划分为三种情况：

• 针对小内存块的分配管理（小内存管理算法）；
• 针对大内存块的分配管理（slab 管理算法）；
• 针对多内存堆的分配情况（memheap 管理算法）

RT-Thread 系统为了满足不同的使用需求，提供了三种内存管理算法：

• 小内存管理算法。主要用于系统资源较少的系统。
• slab 管理算法。主要用在系统资源比较丰富的场景。
• memheap 管理算法。适用于系统存在多个内存堆的情况，它可以将多个内存连接在一起，形成一个大的内存堆。

备注：这几类内存堆管理算法只能启用一个，但是提供给用户的接口完全相同。

注意事项：内存堆管理为了满足多线程场景下的安全分配，考虑多线程间的互斥问题。因此，不要在中断服务程序中分配或释放动态内存块。否则，会引起当前上下文挂起，引发问题出现。

1. 小内存管理算法

这种算法比较简单。初始时，它是一块大的内存。当需要分配内存块时，将从这个大的内存块上分割出相匹配的内存块，然后把分割出来的空闲内存块还回给堆管理系统中。

每个内存块都包含一个管理用的数据头，通过这个头把使用块与空闲块用双向链表的方式链接起来，如下图所示：

数据头内容包括：

• magic： 变数（幻数），初始值为 0x1ea，用于标记这个内存块是一个内存管理用的内存数据块 。
• used：用于标识当前内存块是否已经分配。
• next 用于将各个内存块链接起来，指向下一个内存块节点
• prev 用于将各个内存块链接起来，指向当前内存节点的上一个节点。

2. slab 管理算法

RT-Thread 的 slab 分配器是在 DragonFly BSD 创始人 Matthew Dillon 实现的 slab 分配器基础上，针对嵌入式系统优化的内存分配算法。

RT-Thread 的 slab 分配器实现主要是去掉了其中的对象构造及析构过程，只保留了纯粹的缓冲型的内存池算法。 slab 分配器会根据对象的大小分成多个区（zone），也可以看成每类对象有一个内存池，如下图所示：

一个 zone 的大小在 32K 到 128K 字节之间，分配器会在堆初始化时根据堆的大小自动调整 。

系统中 zone 的个数最大为 72，一次最大可以分配 16K 的内存空间，如果超出了 16K 那么直接从页分配器中分配 。每个 zone 上分配的内存块大小是固定的，相同大小内存块的 zone 会链接在一个链表中。

72 中对象的 zone 链表则放在一个数组中进行统一管理（zone_array[]）。

（1）内存分配

分配内存时，首先从 zone_array[] 链表头数组中查找相依大小的 zone 链表。如果链表为空，则分配一个新的 zone，然后从 zone 中返回第一个空闲内存块。若非空，则返回空闲块地址。

（2）内存释放

内存释放时，分配器需要找到内存块所在的 zone 节点，然后把内存块链接到 zone 的空闲内存块链表中 。

3. memheap 管理算法

这种管理方法适用于系统中含有多个地址可不连续的内存堆。这种方法可以简化系统中存在多个内存堆时的使用：用户在系统初始化时将多个 memheap 初始化，并开启 memheap 功能，就可以把多个 memheap 粘合起来用于系统的 heap 分配。

其工作机制如下图所示。系统首先会将多个内存加入到 memheap_item 链表进行粘合。应用程序就可以在粘合后的内存堆中申请分配内存，就像在操作一个内存堆。

内存堆管理方式

RT-Thread 的内存堆管理操作有以下几种：初始化、申请内存块、释放内存块。

需要注意的是，在使用完动态内存之后，应该将其释放掉。否则，会出现内存泄漏的问题。

1. 分配和释放内存块

RT-Thread 系统提供的动态申请内存块的函数接口如下，与我们平时接触到的 malloc() 类似。

void *rt_malloc(rt_size_t nbytes)

函数 rt_malloc() 会从系统堆空间中找到合适大小的内存块，然后把内存块首地址返回给用户。

参数 nbytes 为需要分配内存的大小，单位为字节。分配成功，则返回内存块的地址；失败，返回 RT_NULL。

在申请的动态内存使用完毕后，必须及时释放，否则会造成内存泄漏。释放内存块的接口函数如下：

void rt_free (void *ptr)

此函数会把待释放的内存块还给堆管理器。

参数 ptr 为动态申请内存块的指针，即需要释放的内存块指针。如果为空指针，则直接返回。

2. 重新分配内存块

同 C 函数库类似，RT-Thread 也提供了重新分配内存块，即在已分配内存块的基础上重新分配内存块的大小。重新分配内存块时，原来的内存块数据保持不变。如果内存块缩小，则后面的数据会被截断。

重新分配内存块大小的函数接口如下：

void *rt_realloc(void *rmem, rt_size_t newsize)

参数 rmem 为指向已分配的内存块指针；newsize 为重新分配的内存大小，单位为字节。

分配成功，则返回重新分配的内存块地址；否则，返回 RT_NULL。

3. 分配多个内存块

RT-Thread 也提供了从内存堆中分配连续内存的多个内存块的接口，其具体的函数原型如下：

void *rt_calloc(rt_size_t count, rt_size_t size)

参数 count 表示内存块的数量；size 表示每个内存块的大小，单位为字节。

分配成功，则返回第一个内存块地址的指针；失败，则返回 RT_NULL。

该函数会把所有分配的内存块初始化为零。

老规矩，用一个示例来演示 RT-Thread 内存管理接口的使用方法。

这个例程会创建一个动态线程，这个线程动态申请内存并释放，一共申请 10 次。每次申请更大的内存，当申请不到的时候就结束，如下代码所示 ：

/* 线程 1 入口 */
static void thread1_entry(void *parameter)
{	
	int i;
	char *ptr = RT_NULL; /* 内存块指针 */

	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		/* 每次分配 (1 << i) 大小字节数的内存空间 */
		ptr = rt_malloc(1 << i);

		/* 如果分配成功 */
		if (ptr != RT_NULL)
		{
			rt_kprintf("get memory :%d byte\n", (1 << i));
		
			/* 释放内存块 */
			rt_free(ptr);
		
			rt_kprintf("free memory :%d byte\n", (1 << i));
		
			ptr = RT_NULL;
		}
		else
		{
			rt_kprintf("try to get %d byte memory failed!\n", (1 << i));
			return;	
		}
	}

}

int main()
{
	rt_thread_t thread1 = RT_NULL;

	/* 动态创建线程1 */
	thread1 = rt_thread_create("thread1", thread1_entry, RT_NULL,
					1024, THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
	
	if(thread1 != RT_NULL)
	{
		/* 启动线程 */
		rt_thread_startup(thread1);
	}

	return 0;
}

编译运行结果如下：

OK，今天先到这，下次继续。加油~

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