LiteOS内存管理：TLSF算法
问题背景
TLSF算法主要是面向实时操作系统提出的，对于RTOS而言，执行时间的确定性是最根本的，然而传统的动态内存分配器（DMA，Dynamic Memory Allocator）存在两个主要问题：
- 最坏情况执行时间不确定（not bounded）或者复杂度过高。
- 碎片化问题。
TLSF的提出，较好地解决了以上两个问题：将动态内存的分配与回收时间复杂度都降到了O(1)时间复杂度，并且采用了Good-fit的分配策略保证系统运行时不会产生过多碎片。
TLSF概要
TLSF（Two-Level Segregated Fit），从命名来看主要分为三部分：
- Segregated Free List
- Two-Level Bitmap
- Good Fit
前两个是数据结构，第三个是分配策略。
TLSF主要采用两级位图（Two-Level Bitmap）与分级空闲块链表（Segregated Free List）的数据结构管理动态内存池（memory pool）以及其中的空闲块（free blocks），用Good-Fit的策略进行分配。
隔离空闲链表
将Segregated Free List拆开，分为：
- List：隐式链表，管理所有内存块。
- Free List：显示链表，只管理空闲块。
- Segregated Free List：隔离空闲块链表，按空闲块大小分级，用多个链表管理。
List
链表是内存管理中最常见的数据结构，在一块内存块头部添加一个头结点，记录该Block本身的信息，以及前后级Block的关系。
隐式链表，链接所有内存块，只记录内存块大小，由于内存块相连，通过头结点指针加内存块大小即可得到下一个内存块的位置。
没有显示指明内存块的地址，而是通过计算得到，所以又叫做隐式链表。
当需要分配内存时，需要从第一块内存块开始检索，检查该内存块是否被分配以及内存块大小是否满足需要，直到找到大小合适的空闲块分配出去。
隐式链表主要问题在于当内存分配时并不需要检索已分配的内存块，这浪费了不少时间，只需要检索空闲块即可。
因此，显示空闲块链表在空闲块头部添加一个指针域，指向下一个空闲块，这样检索时会跳过已分配的内存块（used blocks）。
Segregated Free List
隐式链表和显示链表主要问题在于当空闲块个数为n时，检索复杂度在O(n)级别，速度较慢，分级空闲块链表优化了空闲块检索的复杂度，粗略计算大概降到O(log n)级别。
分级空闲块链表（Segregated Free List）的设计思想是将空闲块按照大小分级，形成了不同块大小范围的分级（class），组内空闲块用链表链接起来。
每次分配时先按分级大小范围查找到相应链表，再从相应链表挨个检索合适的空闲块，如果找不到，就在大小范围更大的一级查找，直到找到合适的块分配出去。
Two-Level Bitmap
上面我们介绍了分级空闲块链表的原理，但是我们并没有提及如何按照空闲块大小分级。
TLSF算法引入了位图（bitmap）来解决这个问题。
位图（Bitmap）
- 节省存储空间：用1-bit表示某个区间范围大小的空闲块是否存在。
- 位操作速度快：部分体系结构有加速特殊位操作的指令（如clz,ffs,fls）。
SEgregated List + Two-Level Bitmap
TLSF采用了两级位图（Two-Level Bitmap）来管理不同大小范围的空闲块链（free block lists）。上图中包含三个虚线矩形框分别是：
- 第一级位图，表示内存块的粗粒度范围，一般是2的幂次粒度。
- 第二级位图，表示内存块的细粒度范围。
- 第三个框是内存中真正的空闲内存块（free blocks）。
内存分配与释放流程（简版）
有了TLSF的大体框架概念以后，就可以先看一下内存alloc与free的简要流程。
内存分配流程
- 在位图中搜索合适的空闲块大小范围，找到free list的头指针。
- 基于free list的头指针检索list分配空闲块。
内存释放流程
- 将需要释放的内存块置为空闲块。
- 与该空闲块物理上相邻的空闲块合并。
- 计算合并后的空闲块大小范围，检索位图找到对应的free list。
- 将该内存块加入free list，返回给内存池。
Good-fit
常规思路：Best-fit（内部碎片最优）
常规思路是：找到能满足内存请求大小的最小空闲块，就会有下面的流程（以搜索大小为69字节的空闲块为例）。
- 基于位运算找到请求大小所在的第一级位图(First-Level bitmap)对应的粗粒度范围([ 64 ~ 128 ])，也就是二级位图的索引
- 在粗粒度范围内，根据二级位图索引检索第二级位图(Second-Level bitmap)得到细粒度范围([ 68 ~ 70 ])
- 如上图所示，沿着右下角空闲块链表可以检索到69字节的那一块是Best-fit
Best-fit已经很不错了，但仍然有提升空间。Best-fit策略最主要的问题还在于第三步，仍然需要检索对应范围的那一条空闲块链表，存在潜在的时间复杂度。
Good-fit（少量碎片换取O(1)时间复杂度）
Good-fit并不保证找到满足需求的最小空闲块，而是尽可能接近要分配的大小。
还以上述搜索大小为69字节的空闲块为例，查找范围稍微大一点儿的，如[70,72]，这样设计的好处是[70,72]对应的空闲块链中每一块都能满足需求，不需要检索空闲块链表找到最小的，而是直接取空闲块链中第一块即可。整体上也不会造成太多碎片。