LiteOS 内存管理

参考：

1. 【野火】物联网操作系统 LiteOS 开发实战指南
2. Huawei LiteOS | 中文网

8. 内存管理

8.1 基本概念

8.1.1 概念

• LiteOS操作系统将内核与内存管理分开实现，操作系统内核仅规定了必要的内存管理函数原型，而不关心这些内存管理函数是如何实现的，所以在 LiteOS 中提供了多种内存分配算法（分配策略），但是上层接口（API）却是统一的
• LiteOS内存管理模块管理用于系统的内存资源，包括：
  • 初始化
  • 分配
  • 释放
• 不采用C标准库中的内存管理函数malloc()和 free() 原因：
  • 小型嵌入式设备的RAM的不足，导致这些函数有些情况无法使用
  • 他们的实现可能非常大，占据了相当大的一块代码空间
  • 不安全，执行时间不确定
  • 容易产生碎片，这两个函数会使得连接器配置变得非常复杂

8.1.2 特点

• 内存管理模块通过对内存的释放、申请操作，来管理用户和OS对内存的使用，使内存的利用率和使用率达到最优，同时最大限度地解决系统的内存碎片问题
• 内存管理分为：静态内存管理和动态内存管理
  • 静态内存管理：在静态内存池中分配用户初始化时预设（固定）大小的内存块
    • 优点：分配和释放效率高，静态内存池中无碎片
    • 缺点：智能申请到初始化预设的内存块，不能按需申请
  • 动态内存：在动态内存池中分配用户指定大小的内存块
    • 优点：按需分配
    • 内存池可能存在碎片
• LiteOS给提供了多种内存动态匹配算法默认使用BestFit (最佳适应算法)，其他算法还包括DLINK算法
  • BestFit算法：每次为作业分配内存时，总是把能满足要求，又是最小的空闲分区分配给作业，避免“大材小用”

8.2 应用场景

• 内存管理的主要工作：动态划分并管理用户分配好的内存空间，主要是在用户需要使用大小不等的内存块的使用场景
• 当用户需要分配内存时，可以通过操作系统的内存申请函数索取指定大小，一旦使用完毕，通过动态内存的释放函数归还占用内存，使之可以重复使用

8.3 内存运作机制

8.3.1 动态内存运作机制（BestFit算法）

动态内存管理，即在内存资源充足的情况下，从系统配置一块比较大的连续内存（内存池，其大小为OS_SYS_MEM_SIZE），根据用户的需求，分配任意大小的内存块，当用户不需要该内存块时，又可以释放回系统供下一次使用。

LiteOS 动态内存管理在最佳适配算法的基础上加入了 SLAB 机制，用于分配固定大小的内存块，进而减小产生内存碎片的可能性。

• 初始化内存，调用 LOS_MemInit
  • 首先初始化一个内存池
  • 在初始化后的内存池中生成一个内存信息管理节点（LOS_HEAP_MANAGER），如上图第一部分
  • 申请 n 个 SLAB CLASS，再逐个按照 SLAB 内存管理机制初始化 n 个 SLAB CLASS，每个SLAB CLASS都有一个LOS_HEAP_NODE进行管理
• 申请内存，调用 LOS_MemAlloc
  • 每次申请内存时，先在满足申请大小的最佳 SLAB CLASS 中申请
  • 申请成功，将SLAB内存块整块返回给用户，释放时整块回收
  • 如果满足条件的SLAB CLASS 中已无可以分配（最佳的，而不是更大的）的内存块，则继续向内存池按照最佳适配算法申请
• 释放内存，调用 LOS_MemFree
  • 释放内存时，先检查释放的内存块是否属于SLAB CLASS，如果是SLAB CLASS的内存块，则归还对应的SLAB CLASS，否则归还内存池中

8.3.2 静态内存运作机制

• 静态内存实质上是一块静态数组，静态内存池内的块大小在初始化时设定，初始化后块大小不可变更

• 静态内存池由一个控制块和若干个相同大小的内存块构成。控制块位于内存池头部，用于内存块管理。

• 内存块的申请和释放以块大小为粒度
  

8.4 开发说明

8.4.1 静态内存使用

注意：使用时需要包含“los_membox.h”

• 使用场景：当用户需要使用固定长度的内存时，可以使用静态内存分配的方式获取内存

• 功能函数

  Huawei LiteOS的静态内存管理主要为用户提供以下功能。

  功能分类	接口名	描述
  初始化静态内存	LOS_MemboxInit	初始化一个静态内存池，设定其起始地址、总大小及每个块大小
  清除静态内存内容	LOS_MemboxClr	清零静态内存块
  申请一块静态内存	LOS_MemboxAlloc	申请一块静态内存块
  释放内存	LOS_MemboxFree	释放一个静态内存块
  分析静态内存池状态	LOS_MemboxStatisticsGet	获取静态内存池的统计信息

• 开发流程：

  • 开发一片内存区域作为静态内存池
  • 调用LOS_MemboxInit()接口，进行静态内存使用前的初始化，将入参指定的内存区域分割为N块（N值取决于静态内存总大小和块大小），将所有内存块挂到空闲链表，在内存起始处防止控制头
  • 调用LOS_MemboxAlloc()接口，系统将会从空闲链表中获取第一个空闲块，并返回该块的用户空间地址
  • 调用LOS_MemboxFree()接口，将该块内存加入空闲块链表
  • 调用LOS_MemboxClr()接口，系统内部清零静态内存块，将入参地址对应的内存块清零

• 静态内存控制块

  typedef struct
  {
     UINT32           uwBlkSize;          /* 内存块的大小 */
     UINT32           uwBlkNum;           /* 内存块总数 */
     UINT32           uwBlkCnt;           /* 已经分配使用的块数 */
     LOS_MEMBOX_NODE  stFreeList;         /* 内存控制块的空闲链表，指针指向下一个可用的内存块 */
  } LOS_MEMBOX_INFO;
  

• 静态内存初始化函数LOS_MemboxInit()

  UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pBoxMem,		/* 内存池地址，需要用户自定义 */
                        UINT32 uwBoxSize,		/* 内存池大小 */
                        UINT32 uwBlkSize);	/* 内存块大小 */
  

  初始化后内存示意图：

  

• 静态内存申请函数LOS_MemboxAlloc()

  VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pBoxMem)		/* 指向内存池的指针 */
  

  申请内存示意图如下：
  

• 静态内存释放函数LOS_ MemboxFree()

  UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pBoxMem,		/* 内存池地址 */
                        VOID *pBox)			/* 需要释放的内存块 */
  

  内存释放示意图：
  

• 静态内存内容清除函数LOS_MemboxClr()

  VOID LOS_MemboxClr(VOID *pBoxMem,		/* 内存池地址 */
                     VOID *pBox)			/* 需要释放的内存块 */
  

• 注意事项

  • 静态内存池区域，可以通过定义全局数组或调用动态内存分配接口方式获取
  • 如果使用动态内存分配方式，在不需要静态内存池时，注意释放该段内存，避免内存泄露

8.4.2 动态内存使用

**注意：**使用时需要包含“los_memory.h”

• 应用场景

  • 主要是在用户需要使用大小不等的内存块的场景中使用
  • 当用户需要分配内存时，可以通过操作系统的动态内存申请函数索取指定大小内存块，一旦使用完毕，通过动态内存释放函数归还所占用内存，使之可以重复使用

• 功能函数

  Huawei LiteOS 系统中的动态内存管理模块为用户提供下面几种功能，具体的API详见接口手册。

  功能分类	接口名	描述
  内存初始化	LOS_MemInit	初始化一块指定的动态内存池，大小为size。
  申请动态内存	LOS_MemAlloc	从指定动态内存池中申请size长度的内存。
  释放动态内存	LOS_MemFree	释放已申请的内存。
  重新申请内存	LOS_MemRealloc	按size大小重新分配内存块，并保留原内存块内容。
  内存对齐分配	LOS_MemAllocAlign	从指定动态内存池中申请长度为size且地址按boundary字节对齐的内存。
  分析内存池状态	LOS_MemStatisticsGet	获取指定内存池的统计信息
  查看内存池中最大可用空闲块	LOS_MemGetMaxFreeBlkSize	获取指定内存池的最大可用空闲块

• 开发流程

  • 配置：
    • OS_SYS_MEM_ADDR：系统动态内存池起始地址，需要用户指定
    • OS_SYS_MEM_SIZE：系统动态内存池大小，以 byte 为单位，需要用户正确计算
    • LOSCFG_MEMORY_BESTFIT：置为 YES，选中内存管理算法中的 BESTFIT 算法
    • LOSCFG_KERNEL_MEM_SLAB：置为 YES，打开内存管理中的SLAB机制
    • SLAB_MEM_COUNT：该配置位于内核中，一般不需要改动，表示 SLAB CLASS 的数量，目前内核初始化为 4
    • SLAB_MEM_ALLOCATOR_SIZE：该配置位于内核中，一般不需要改动，表示每个 SLAB CLASS 的最大可分配的块的总空间
    • SLAB_BASIC_NEED_SIZE：该配置位于内核中，一般不需要改动，表示初始化 SLAB 机制时需要的最小的堆空间。如果改动了 SLAB_MEM_COUNT 和 SLAB_MEM_ALLOCATOR_SIZE 的配置，就需要同步改动这个配置
  • 初始化：
    • 调用 LOS_MemInit 函数初始化用户指定的动态内存池，若用户使能了 SLAB 机制并且内存池中的可分配内存大于 SLAB 需要的最小内存，则会进一步初始化 SLAB CLASS
  • 申请任意大小的动态内存：
    • 调用 LOS_MemAlloc 函数从指定的内存池中申请指定大小的内存块，申请时内存管理先向 SLAB CLASS 申请，申请失败后继续向堆内存空间申请，最后将申请结果返回给用户。在向堆内存空间申请时，会存在内存块的切分
  • 释放动态内存：
    • 调用 LOS_MemFree 函数向指定的动态内存池释放指定的内存块，释放时会先判断该内存块是否属于 SLAB CLASS，若属于，则将该内存块还回 SLAB CLASS。否则，向堆内存空间释放内存块。在向堆内存空间释放时，会存在内存块的合并

• 动态内存初始化函数LOS_MemInit()

  UINT32 LOS_MemInit(VOID *pPool,				/* 内存开始地址 */
                     UINT32 uwSize)			/* 内存块大小 */
  

• 动态内存申请函数LOS_MemAlloc()

  VOID *LOS_MemAlloc (VOID *pPool,		/* 内存池地址 */
                      UINT32 uwSize)		/* 分配的内存大小 */
  

  申请内存的时候，系统是从内存信息管理节点的 pstTail 指向的内存块开始遍历整个内存块链表查找合适的内存块，如果某个空闲内存块的大小能容得下用户要申请的内存，则将这块内存取出用户需要内存空间大小的部分返回给用户，剩下的内存块组成一个新的空闲块，插入到空闲内存块链表中

  内存分配完成示意图：

• 动态内存释放函数LOS_MemFree()

  UINT32 LOS_MemFree (VOID *pPool,			/* 内存池地址 */
  					VOID *pMem)				/* 需要释放的内存地址 */
  

• 注意事项
  • 由于系统中动态内存管理需要消耗管理控制块结构的内存，故实际用户可使用空间总量小于在配置文件 los_config.h 中配置项 OS_SYS_MEM_SIZE 的大小
  • 系统中地址对齐申请内存分配LOS_MemAllocAlign 可能会消耗部分对齐导致的空间，故存在一些内存碎片，当系统释放该对齐时，同时回收由于对齐导致的内存碎片
  • 系统中重新分配内存LOS_MemRealloc 函数如果分配成功，系统会自己判断是否需要释放原来申请的空间，返回重新分配的空间。用户不需要手动释放原来的空间
  • 系统中多次调用LOS_MemFree 时，第一次会返回成功，但对同一块内存进行多次重复释放会导致非法指针操作，导致结果不可预知