TI OSAL內存管理實現方式

ID:351097 · 發表于 2020-1-15 00:53

本帖最后由沒有你于 2020-1-16 00:25 編輯

之前發的帖子介紹了OSAL在STC8A8K64S4A12單片機的移植方式和簡單使用，今天就簡單介紹一下OSAL的內存管理方式。在介紹之前，首先要了解單片機的棧和堆的區別。一提到“棧”，很容易想到單片機的壓棧（PUSH）和出棧（POP）中用到的棧，這個棧是系統自動分配和釋放的，具體分配多少棧空間，在程序編譯后就已經確定不變了、而且無法更改。子函數內部的局部變量定義和使用，也是系統自動分配棧空間來保存變量，等函數執行完，系統就會將棧空間收回。另一個“堆”，就沒有“棧”那么熟悉了，因為初學者用單片機的時候，不會想到用堆的，也比較少接觸。“堆”就是用戶自己管理的內存空間，一般都是定義一個大數組全局變量，再基于這個數組的內存空間做管理。自己編寫類似malloc和free函來實現內存空間的申請和釋放，即需要用到空間，要自己申請，等空間使用周期結束了，還要自己釋放空間。
既然 “棧”那么方便，由系統自動申請，自動釋放，肯定比自己去管理方便多了，那為什么還要“堆”呢？前面講過，“棧”空間的使用在程序編譯后就定死了，無法自己制定使用多大的棧，這樣就很不方便，尤其是在傳輸處理動態數據流的時候就很麻煩。那肯定有人想過，在函數里面定義一個很大的數組局部變量，那不就可以應對各種各樣的數據流了。如果在函數里面定義很大的數組，系統在跑的使用，其他函數也會用到棧空間哦，一旦棧空間使用過大導致內存溢出，那系統肯定奔潰了。“堆”就不一樣了，要用多少空間，完全可以動態申請，需要多少，就申請多少。由于是在自己定義全局數組變量的地址上管理內存操作，不怕內存溢出。
棧和堆的共同點和區別：
1、共同點：a：都是占用ram空間；
                  b：可使用最大ram空間在程序編譯后就確定不變了；
2、區別：棧空間由系統自動申請和釋放，堆空間由用戶自己申請和釋放。
接下來介紹一下OSAL的內存管理，OSAL的內存管理是堆管理，OSAL_Memory.c里面定義了一個很大的數組theHeap，內存管理把堆空間分成兩個部分，第一個部分是針對小塊內存的管理，第二部分是針對大塊內存的管理。這樣做的好處是容易申請到連續的大空間，因為小塊內存處理會使整個內存空間碎片化，那么會導致內存空間不連續，不連續的空間是對申請大空間是非常不利的。在申請堆空間時，會自動合并之前釋放的free塊，等到找到合適連續塊時，會自動裁剪多余的塊空間，以免造成空間的浪費。
  下面列舉出已去除其他無關代碼和修改部分名稱后的內存管理代碼，代碼處理有詳細注釋，還有測試過程。另外，代碼的測試是基于STC8A8K64S4A12單片機，ram空間為8K。
首先是相關宏和變量定義
//堆總空間
#define HEAP_SIZE 2048
#define HEAPMEM_IN_USE          0x8000

//堆空間結束位置
#define HEAP_LASTBLK_IDX    ((HEAP_SIZE / HEAPMEM_HDRSZ) - 1)
//區分塊位置
#define HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT (HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET / HEAPMEM_HDRSZ)
//大塊起始位置
#define HEAPMEM_BIGBLK_IDX       (HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT + 1)

//首部大小
#define HEAPMEM_HDRSZ             sizeof(heapMemHdr_t)
//最小塊大小
#define HEAPMEM_MIN_BLKSZ       (HEAPMEM_ROUND((HEAPMEM_HDRSZ * 2)))
//小塊大小
#define HEAPMEM_SMALL_BLKSZ    (HEAPMEM_ROUND(16))
//默認長塊大小
#define HEAPMEM_LL_BLKSZ       (HEAPMEM_ROUND(417) + (19 * HEAPMEM_HDRSZ))

//小塊總空間
#define HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET  ((HEAPMEM_SMALL_BLKSZ * HEAPMEM_SMALL_BLKCNT) + HEAPMEM_LL_BLKSZ)
//大塊總空間
#define HEAPMEM_BIGBLK_SZ       (HEAP_SIZE - HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET - HEAPMEM_HDRSZ*2)

//默認小塊數量
#define HEAPMEM_SMALL_BLKCNT    8
// 調整申請內存大小宏操作（如申請17字節空間，則調整為18字節）
#define HEAPMEM_ROUND(X)    ((((X) + HEAPMEM_HDRSZ - 1) / HEAPMEM_HDRSZ) * HEAPMEM_HDRSZ)

typedef struct {
  unsigned len : 15;//本快的長度最大為2^16-1個字節，且申請空間的最小粒度為2個字節
  unsigned inUse : 1;//標志位表示本快是否已經被使用
} heapMemHdrHdr_t;

typedef union {
  //因此，當halDataAlign\u t小于UINT16時，編譯器強制結構對齊最大的元素，而不會在目標上浪費空間。
  uint8 alignDummy;
  uint16 val;//存儲上一塊長度，in use信息
  heapMemHdrHdr_t hdr;//快頭指針
} heapMemHdr_t;

static __no_init heapMemHdr_t all_heap[HEAP_SIZE];//定義堆空間數組
static __no_init heapMemHdr_t *ff1;  //第一個空塊

static uint8 heapMemStat = 0x01;          // 離散狀態標志 0x01：踢出
說明，每個all_heap元素占用2個字節，即16個bit，最高位bit代表使用狀態，1表示非free，0表示free。剩下15個bit可以表示32768個byte堆空間，高達32K了，應付51單片機是完全沒有問題的。定義了一個全局數組變量all_heap作為堆總空間，大小為2048個byte。可以根據單片機資源自行修改堆總空間大小，宏HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT 是小塊內存和大塊內存的分界數值。

下面是堆空間初始化函數
void heap_init(void)
{
  all_heap[HEAP_LASTBLK_IDX].val = 0;//在堆的末尾設置一個空塊，以便與零進行快速比較
  ff1 = all_heap;//設置管理小塊空間的首部
  ff1->val = HEAPMEM_SMALLBLK_BUCKET;
//設置劃分小塊空間與大塊空間的首部
  all_heap[HEAPMEM_SMALLBLK_HDRCNT].val = (HEAPMEM_HDRSZ | HEAPMEM_IN_USE);
  // 設置管理大塊空間首部
  all_heap[HEAPMEM_BIGBLK_IDX].val = HEAPMEM_BIGBLK_SZ;  // Set 'len' & clear 'inUse' field.
}

下面是執行heap_init()之后的內存地址空間示例（初始地址是某次上電隨機出現的）

use	value	地址	對應數組
0	584	0x036d - 0x036e	all_heap[0]
0	-	-	-
0	-	-	-
1	2	0x05b5 - 0x05b6	all_heap[292]
0	1460	0x05b7 - 0x05b8	all_heap[293]
0	-	-	-
0	-	-	-
0	0	0x0b6b - 0x0b6c	all_heap[1023]

說明，第一個all_heap[0]存放這個小塊空間首部，這個首部有小塊空間剩余量，584表示可以使用584個byte的小塊空間，每次有小塊空間申請成功，這個剩余值就會減少。藍色標注的是小塊內存和大塊內存的格擋板，位置為all_heap[292]，狀態標為1表示已使用，這樣在小塊內存在分配內存的時候就不會合并到大塊內存上面。all_heap[293]存放大塊空間首部，這個首部有大塊空間剩余量，1460表示可以使用1460個byte的大塊空間，每次有大塊空間申請成功，這個剩余值就會減少。堆末尾all_heap[1023]值被初始化為0，以便與零進行快速比較。從0x036d-0x0b6c這2048個byte空間就是本次堆的全部空間大小。

下面是堆空間申請函數
void *heap_alloc(uint16 size)
{
  heapMemHdr_t *prev = NULL;
  heapMemHdr_t *hdr;
  uint8 intState;
  uint8 coal = 0;
  size += HEAPMEM_HDRSZ; //給需要申請的空間分配一個管理首部
//進入臨界區

  //調整size大小，是空間對齊（與處理器和編譯器相關）
  if ( sizeof( uint8 ) == 2 )//假設uint8占用2個字節
  {
size += (size & 0x01);//假設為196個，則size為196；假設為197個，則size要198才滿足
  }
  else if ( sizeof( uint8 ) != 1 )
  {
const uint8 mod = size % sizeof( uint8 );

if ( mod != 0 )
{
   size += (sizeof( uint8 ) - mod);
}
  }
  //判斷小塊內存空間是否足夠分配，否則向大塊內存空間申請
  if ((heapMemStat == 0) || (size <= HEAPMEM_SMALL_BLKSZ))
  {
hdr = ff1;//小塊內存，從ff1開始查找

  }
  else
  {
hdr = (all_heap + HEAPMEM_BIGBLK_IDX);//從大塊開始查找
  }
  //開始迭代的尋找適合的內存空間
  do
  {
if ( hdr->hdr.inUse )//遇到非free塊
{
   coal = 0;//告訴下一塊，本塊非free
}
else //遇到free塊
{
   if ( coal != 0 )//上一塊是free塊
   {
      prev->hdr.len += hdr->hdr.len;//兩個free塊合并相鄰內存空間

      if ( prev->hdr.len >= size )  //合并后的大小滿足size
      {
      hdr = prev;  //得到塊的地址
      break;
      }
   }
   else //上一塊是非free塊
   {
      if ( hdr->hdr.len >= size )//一個快的大小就可以滿足情況，分配，跳出循環返回
      {
      break;
      }

      coal = 1;//否則，標記coal為1，告訴下一塊，本快是free的
      prev = hdr; //保存當前內存地址
   }
}
//(uint8 *)hdr這個操作使本來2個字節，強制轉換成1個字節
hdr = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);//經典malloc實現方式，迭代下一塊

if ( hdr->val == 0 )//已經到達堆底部（初始化時，已經讓堆底為零，方便識別）
{
   hdr = NULL;//空指針，表示找不到合適size塊
   break;
}
  }while(1);

  if ( hdr != NULL )//已經找到合適size塊
  {
uint16 tmp = hdr->hdr.len - size;//表示塊的大小大于請求的大小時，為了不浪費空間，還要把塊切開
//確定是否滿足拆分閾值
if ( tmp >= HEAPMEM_MIN_BLKSZ )//剩下的大小可以單獨成為一個free塊
{
   heapMemHdr_t *next = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + size);
   next->val = tmp;                   // 告訴后一個塊自己的信息
   hdr->val = (size | HEAPMEM_IN_USE);  // value代表前一塊的大小和使用情況，這樣相當于雙向鏈表
}
else
{
   hdr->hdr.inUse = TRUE; //標記本塊已經被使用
}

if ((heapMemStat != 0) && (ff1 == hdr))
{
   ff1 = (heapMemHdr_t *)((uint8 *)hdr + hdr->hdr.len);
}
hdr++;
  }
  //退出臨界區
  return (void *)hdr;
}

其中，size是申請空間的多少，每次申請空間為1個byte。比如要申請10個元素uint16類型的數組，代碼可以寫：
uint16 *test；
test = (uint16*)heap_alloc(20);

下面寫一段代碼來測試heap_alloc函數
   heap_init(); //初始化堆
   uint8 *test1;
   uint16 *test2;
   uint32 *test3;
   uint8 *test4;
   test1 = (uint8 *)heap_alloc(1);
   test2 = (uint16 *)heap_alloc(2);
   test3 = (uint32 *)heap_alloc(4);
   test4 = (uint8 *)heap_alloc(1);
下面是測試代碼運行后申請空間情況示例（地址：0x036d-0x037e）

0x03-前綴	6d	6e	6f	70	71	72	73	74	75	76	77	78	79	7a	7b	7c	7d	7e
申請塊			test1			test2				test3						Test4
標識塊	584			581				577						571			568

說明，灰色標識前后塊信息（非free態），里面的數值是剩余byte空間，本次測試執行后，總共用去16個byte（地址0x036d-0x037e）空間，其中8個byte用于剩余頭部信息存儲，8個bytes才是有效空間。每個申請內存塊都帶有前后信息塊，借鑒了雙向鏈表的數據結構。568沒有顏色的表示free態。

下面是堆空間釋放函數
void heap_free(void *ptr)
{
  //如果heapMemHdr_t為2個字節，則下面指針減去1，物理地址會改變2
  heapMemHdr_t *hdr = (heapMemHdr_t *)ptr - 1;//獲取該內存空間首部
  uint8 intState;
  //進入中斷臨界
  hdr->hdr.inUse = FALSE; //標記使用狀態為：未使用

  if (ff1 > hdr)
  {
ff1 = hdr;//調整ff1位置
  }
  //退出中斷臨界
}

比如執行heap_free(test1)，傳入地址為0x036f，執行過程中會將0x036d的狀態標為free態，也就是釋放掉堆占用了，584那塊會由灰色變成無色。那么，下次申請空間的時候，可以申請使用這塊內存（地址：0x036d-0x037e）