RT-Thread内存管理

一、内存管理的特点

1. 分配内存的时间必须是确定的。一般内存管理算法是根据需要存储的数据的长度在内存中去寻找一个与这段数据相适应的空闲内存块，然后将数据存储在里面。而寻找这样一个空闲内存块所耗费的时间是不确定的，因此对于实时系统来说，这就是不可接受的，实时系统必须要保证内存块的分配过程在可预测的确定时间内完成，否则实时任务对外部事件的响应也将变得不可确定。

2. 随着内存不断被分配和释放，整个内存区域会产生越来越多的碎片（因为在使用过程中，申请了一些内存，其中一些释放了，导致内存空间中存在一些小的内存块，它们地址不连续，不能够作为一整块的大内存分配出去），系统中还有足够的空闲内存，但因为它们地址并非连续，不能组成一块连续的完整内存块，会使得程序不能申请到大的内存。对于通用系统而言，这种不恰当的内存分配算法可以通过重新启动系统来解决 (每个月或者数个月进行一次)，但是对于那些需要常年不间断地工作于野外的嵌入式系统来说，就变得让人无法接受了。

3. 嵌入式系统的资源环境也是不尽相同，有些系统的资源比较紧张，只有数十 KB 的内存可供分配，而有些系统则存在数 MB 的内存，如何为这些不同的系统，选择适合它们的高效率的内存分配算法，就将变得复杂化。

二、RT-Thread提供了三种内存算法

1. 针对小内存块的分配管理（小内存管理算法）；
   
   小内存管理算法主要针对系统资源比较少，一般用于小于 2MB 内存空间的系统；

2. 针对大内存块的分配管理（slab 管理算法）；
   
   slab 内存管理算法则主要是在系统资源比较丰富时，提供了一种近似多内存池管理算法的快速算法。

3. 针对多内存堆的分配情况（memheap 管理算法）
   
   memheap 方法适用于系统存在多个内存堆的情况，它可以将多个内存 “粘贴” 在一起，形成一个大的内存堆，用户使用起来会非常方便。

注意：

• 小内存块的分配管理和大内存块的分配管理都是针对用户开启宏 RT_USING_HEAP 后的优化，而栈空间还是由编译器自动回收内存空间。

• 小内存块的分配管理和大内存块的分配管理能选择其中之一或者完全不使用内存堆管理器，他们提供给应用程序的 API 接口完全相同。

• 因为内存堆管理器要满足多线程情况下的安全分配，会考虑多线程间的互斥问题，所以请不要在中断服务例程中分配或释放动态内存块。因为它可能会引起当前上下文被挂起等待。

三、小内存管理算法

小内存管理算法是一个简单的内存分配算法。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：

每个内存块（不管是已分配的内存块还是空闲的内存块）都包含一个数据头，其中包括：

• magic：变数（或称为幻数），它会被初始化成 0x1ea0（即英文单词 heap），用于标记这个内存块是一个内存管理用的内存数据块；变数不仅仅用于标识这个数据块是一个内存管理用的内存数据块，实质也是一个内存保护字：如果这个区域被改写，那么也就意味着这块内存块被非法改写（正常情况下只有内存管理器才会去碰这块内存）。

• used：指示出当前内存块是否已经分配。

四、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。最原始的 slab 算法是 Jeff Bonwick 为 Solaris 操作系统而引入的一种高效内核内存分配算法。

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。系统中的 zone 最多包括 72 种对象，一次最大能够分配 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，能够分配相同大小内存块的 zone 会链接在一个链表中，而 72 种对象的 zone 链表则放在一个数组（zone_array[]）中统一管理。

• 内存分配
  
  假设分配一个 32 字节的内存，slab 内存分配器会先按照 32 字节的值，从 zone array 链表表头数组中找到相应的 zone 链表。如果这个链表是空的，则向页分配器分配一个新的 zone，然后从 zone 中返回第一个空闲内存块。如果链表非空，则这个 zone 链表中的第一个 zone 节点必然有空闲块存在（否则它就不应该放在这个链表中），那么就取相应的空闲块。如果分配完成后，zone 中所有空闲内存块都使用完毕，那么分配器需要把这个 zone 节点从链表中删除。

• 内存释放
  
  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。如果此时 zone 的空闲链表指示出 zone 的所有内存块都已经释放，即 zone 是完全空闲的，那么当 zone 链表中全空闲 zone 达到一定数目后，系统就会把这个全空闲的 zone 释放到页面分配器中去。

五、memheap 管理算法

memheap 管理算法适用于系统含有多个地址可不连续的内存堆。使用 memheap 内存管理可以简化系统存在多个内存堆时的使用：当系统中存在多个内存堆的时候，用户只需要在系统初始化时将多个所需的 memheap 初始化，并开启 memheap 功能就可以很方便地把多个 memheap（地址可不连续）粘合起来用于系统的 heap 分配。

注意：在开启 memheap 之后原来的 heap 功能将被关闭，两者只可以通过打开或关闭 RT_USING_MEMHEAP_AS_HEAP 来选择其一

memheap 工作机制如下图所示，首先将多块内存加入 memheap_item 链表进行粘合。当分配内存块时，会先从默认内存堆去分配内存，当分配不到时会查找 memheap_item 链表，尝试从其他的内存堆上分配内存块。应用程序不用关心当前分配的内存块位于哪个内存堆上，就像是在操作一个内存堆。

1. 内存堆
   
   

   • 动态内存使用的注意事项：
     
     1）检查从 rt_malloc 函数返回的指针是否为 NULL
     
     2）不要访问动态分配内存之外的内存
     
     2）不要向 rt_free 传递一个并非由 rt_malloc 函数返回的指针
     
     4）在释放动态内存之后不要再访问它
     
     5）使用 sizeof 计算数据类型的长度，提高程序的可移植性

   • 常见的动态内存错误：
     
     1）对 NULL 指针进行解引用
     
     2）对分配的内存进行操作时越过边界
     
     3）释放并非动态分配的内存
     
     4）释放一块动态分配的内存的一部分 (rt_free(ptr + 4))
     
     4）动态内存被释放后继续使用

   内存碎片：频繁的调用内存分配和释放接口会导致内存碎片，一个避免内存碎片的策略是使用 内存池 + 内存堆 混用的方法。

2. 内存池

   

   内存堆管理器可以分配任意大小的内存块，非常灵活和方便。但其也存在明显的缺点：一是分配效率不高，在每次分配时，都要空闲内存块查找；二是容易产生内存碎片。为了提高内存分配的效率，并且避免内存碎片，RT-Thread 提供了另外一种内存管理方法：内存池（Memory Pool）。

   内存池是一种内存分配方式，用于分配大量大小相同的小内存块，它可以极大地加快内存分配与释放的速度，且能尽量避免内存碎片化。此外，RT-Thread 的内存池支持线程挂起功能，当内存池中无空闲内存块时，申请线程会被挂起，直到内存池中有新的可用内存块，再将挂起的申请线程唤醒。

   使用场景:内存池的线程挂起功能非常适合需要通过内存资源进行同步的场景，例如播放音乐时，播放器线程会对音乐文件进行解码，然后发送到声卡驱动，从而驱动硬件播放音乐。如下图所示：