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Nucleus操作系統內存池模塊移植的研究與應用

作者: 時間:2013-01-20 來源:網絡 收藏
內存池方式的內存管理是一種可計量、高效的內存管理方式,它具有減少內存碎片、提高分配速度、防止內存泄漏等優勢[1]。目前在國內基于內核的內存池大多基于Linux內核[2]。本文主要基于內核來介紹內存池靜態與動態分配在TD-LTE無線綜合測試儀移植中的研究與應用,闡述了在不同分配方式中的內存池結構、分配算法以及適用環境。
1 靜態方式分配內存池
靜態內存池管理方式中內存池分為池(pool)和塊(partition)。之所以稱之為靜態管理方式,是因為在使用過程中塊的大小是固定的(即在創建過程中塊大小是確定的)。靜態內存池的整體結構如圖1所示,池和塊都有自己的頭,池是由雙向循環鏈表鏈接而成,塊是由單向鏈表鏈接而成,每一塊的頭中還包含了自己屬于哪一個池的屬性。可用塊的信息以單向鏈表的形式存儲于池頭中,并且可用塊與已經分配的塊的個數都在池頭中有記錄。

Nucleus操作系統內存池模塊移植的研究與應用

1.1 靜態內存池的創建
池頭中的主要參數包括內存池控制塊指針、內存池名(只取8個字符)、起始地址、內存池總大小(字節為單位)、內存池分塊大小(字節為單位)、掛起方式(先進先出或按優先級)等,圖2是仿真器上運行過程中靜態內存池結構體截圖。
對圖2中兩個結構體鏈表參數說明如下:(1)pm_created:當前已經創建的內存池,采用雙向循環鏈表連接,插入方式是在最后一個節點和首節點間填充;(2)pm_available_list:存儲當前還可用partition的鏈表,結構與塊的頭部結構header_ptr相同(PM_OVERHEAD=8 B小塊的頭header_ptr:單向鏈表,內部有指向下一小塊的指針和所屬大塊的控制塊地址)。

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內核中,內存池的創建主要由函數PMC_Create_Partition_Pool負責,創建流程如下:調用過程中首先進行參數合法性檢測;然后在池頭(控制塊)中寫入各個參數,創建鏈表;之后是一個重要的循環體,負責初始化partition鏈表,分配所有的partition,每個partition的大小在分配時需要在函數傳入參數值的基礎上加8 B,用來存儲header_ptr;最后在內存池線程保護后將新的內存池插入內存池鏈表并計數。
1.2 靜態內存池的分配
在TD-LTE無線綜合測試儀中分配前由協議棧提供所需要分配的大小,這里主要是放置協議內部配置信息與層間交互原語。由于這些信息的大小固定,只是有幾種不同大小的固定模式,所以很適合采用靜態分配的方式來分配內存,只需要根據數據大小選擇密度合適的內存池即可。移植過程中使用了不同大小的partition構建不同密度的內存池,因此,可根據申請partition的大小來判定用那種密度的內存池,以減少內部碎片的大小。這種方法可以有效避免空間浪費[3],同時又可提高分配效率。
內核中靜態內存池的分配主要由函數PMC_Allocate_Partition負責,其主要參數為內存池指針(指向調用的內存指針,不能為NULL,設置為可用內存地址即可)、分配大小和掛起標志位。函數中主要判斷內存池指針是否合法、內存池與partition是否匹配、指向調用的內存指針是否合法、任務掛起標志位是否有效。其分配流程如圖3所示。過程如下:調用內核函數TCT_System_Protect(TCT_Protect)保護內存池同步互斥通道。判斷是否還有可用partition,若有,則將可用數量減1、分配數量加1并更新pm_available_list以及將指向調用內存指針賦值為當前分配的partition地址(partition地址要+8 B刪去頭);若沒有,則將任務掛起直至有可用Partition才恢復。最后解保護并返回。

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1.3 靜態內存池的釋放
系統采用PMC_Deallocate_Partition函數來完成釋放。流程如下:調用內核函數保護內存池同步互斥通道。判斷是否有等待任務,若有,則分配給這個任務當前partition,再判斷當前任務是否允許被搶占,允許就調用TCT_Control_To_System搶占當前任務、激活等待內存的任務;若沒有,則等待任務,將當前partition重新接入到可用partition列表的頭部。最后調用TCT_Unprotect解保護。
2 動態方式分配內存池
動態內存池也分為池和塊兩個部分,動態池直接由雙向循環鏈表實現連接。內部塊是動態分配的,由最小可分配空間來限制塊的最小值。與靜態分配不同,動態分配塊也由雙向循環鏈表來鏈接。創建時的初始結構為兩個塊,在申請時動態分割。圖4是仿真器上運行過程中動態內存池與塊的結構體截圖。

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池控制塊結構中dm_memory_list與塊頭結構體相同,池通過dm_memory_list來完成塊搜索;塊頭結構中dm_memory_pool與大塊頭結構相同,通過它來比配大塊。
2.1 動態內存池的創建
初始化完成時的內存結構:初始化創建完成時內存池中有2個塊,1個大小為總大小減去32 B,包含自己的頭DM_OVERHEAD=16 B,設置為可以狀態free=‘0x01’;1個大小為16 B,只有自己的頭,沒有空間,設置為不可以狀態free=‘0x00’。因此,此時的可用空間為除去池的控制塊外的總大小減去32 B。初始化結構如圖5所示(沒有將池控制塊表示出來)。

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創建時,首先為控制塊指針賦值,內存池大小與最小分區大小進行字對齊校正;判斷控制塊指針、起始地址、最小分配空間、掛起標志是否合法。創建過程如下:初始化控制塊中的各個參數,并按圖5初始化小塊、創建小塊雙向循環鏈表,與靜態分配相同需要先進行線程保護再加入到池動態內存池鏈表。
2.2 動態內存池的申請
動態申請主要用于內模塊(如任務、隊列等)的堆棧分配與模塊占用空間的分配。由于在TD-LTE無線綜合測試儀中這些分配的空間大小浮動不定,因此需要使用動態分配內存。Nucleus中動態分配采用首次匹配原則,每一次申請內存時動態分配申請大小加16 B(這個16 B的頭對應剩下的可用空間)的內存池空間,并把分配過的部分設置為不可用狀態free=‘0x00’。
負責實現的函數是DMC_Allocate_Memory。首先進行各種參數的合法性檢測,然后將分配空間size小于最小分配空間的分配空間大小賦值為最小空間,對size進行字對齊處理,調用線程保護后采用首先匹配法來找適用空間,即:在循環體中先判斷free標志,是空閑塊(free=‘0x01’),則算出減去本次分配的頭后所剩的空間,當此空間大于本次請求size時進行分配,小于時則移動到下一個塊;若不是空閑塊,則直接把剩余空間設置為0進行后面小于size時移動到下一個塊的判斷。注意:這里用到了控制塊中的dm_search_ptr屬性(結構與小塊的頭相同),該屬性用于記錄開始匹配的起始位置,作為判斷循環體結束的條件之一,如果循環到此處,就表示沒有找到可分配空間。圖6是動態分配的流程圖。

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循環結束后判斷是否找到可用于分配的塊,若找到則進行是否需要分割該可用塊的判斷。條件是這個可用塊的大小大于或等于本次所需空間size+頭大小+最小分配空間的值,若滿足此條件則分割出一個新塊并對其加頭初始化,再計算出剩余可用空間;不滿足此條件則直接計算剩余可用空間。分配的空間標志為非空閑后,把所分配空間的地址賦給指向調用的內存指針(注意去頭)。為提高效率,還需要進行一個簡單處理,即判斷如果在搜索塊時一次性匹配成功,則將dm_search_ptr移向下一個塊。
如果沒有找到可用塊則將任務掛起等待,沒有采用掛起模式則直接返回NULL給指向調用的內存指針,最后調用TCT_Unprotect解保護。圖7是分配第一塊內存后動態內存池的結構。

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2.3 動態內存池的釋放
釋放過

linux操作系統文章專題:linux操作系統詳解(linux不再難懂)

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