基于Linux操作系統(tǒng)的虛擬軟件平臺(tái)內(nèi)存管理設(shè)計(jì)

殷錫亮

（哈爾濱僑航通信設(shè)備有限公司，哈爾濱 150028）

現(xiàn)代嵌入式處理器上越來越多的使用Linux操作系統(tǒng)。這不僅由于Linux是免費(fèi)開源的，并有眾多的軟件開發(fā)者共同開發(fā)，它也具有實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，來滿足嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所需的特性。雖然Linux本身就提供很好的內(nèi)存使用機(jī)制，但是由于通信軟件對(duì)內(nèi)存使用有其特殊的方式，長(zhǎng)期的直接運(yùn)行于Linux之上會(huì)造成很多的內(nèi)存碎片，造成無(wú)法申請(qǐng)到內(nèi)存。

本文基于Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種虛擬軟件平臺(tái)，并著重介紹這個(gè)虛擬平臺(tái)提供的內(nèi)存管理機(jī)制。

1 Linux操作系統(tǒng)以及虛擬軟件平臺(tái)

1.1 Linux操作系統(tǒng)

Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運(yùn)行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)思想，是一個(gè)性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

由于Linux具有的眾多特性，通信設(shè)備中越來越多地采用Linux，代替費(fèi)用昂貴的Vx Works操作系統(tǒng)。盡管會(huì)降低一定程度的實(shí)時(shí)性，但由于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的逐年下降，取而代之的是非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的依賴程度逐漸降低，這也為使用linux提供了可行性。

1.2 虛擬軟件平臺(tái)

通信軟件架構(gòu)一般采用如下圖的軟件架構(gòu)模式。

圖1

虛擬軟件平臺(tái)位于操作系統(tǒng)與上層軟件之間，屏蔽了操作系統(tǒng)的特性，由于其特殊的作用，所以它必須提供諸如TCP/IP通信，進(jìn)程間通信，進(jìn)程調(diào)度，內(nèi)存管理，定時(shí)器管理，狀態(tài)機(jī)等諸多功能，而最為重要的就是內(nèi)存管理。

2 內(nèi)存管理

2.1 內(nèi)存的分類

系統(tǒng)內(nèi)存分為堆內(nèi)存以及棧內(nèi)存，對(duì)于小于2048字節(jié)的內(nèi)存，一般使用的是棧內(nèi)存，這種大小的數(shù)據(jù)區(qū)一般用來傳輸信令數(shù)據(jù)，對(duì)于傳輸更大的數(shù)據(jù)塊，需要申請(qǐng)的是堆內(nèi)存。

2.2 內(nèi)存池初始化

根據(jù)分析通信系統(tǒng)軟件架構(gòu)，大概需要幾種消息類型，它們使用的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大約為128字節(jié)，256字節(jié)，512字節(jié)，1024字節(jié)，2 048 字節(jié)，4 096字節(jié)，8 192字節(jié)，16 384字節(jié)等。（如圖2所示）

圖2

在內(nèi)存池的構(gòu)建上，我們也根據(jù)需求，分別向操作系統(tǒng)申請(qǐng)堆內(nèi)存以及棧內(nèi)存。其中小于以及等于2 048字節(jié)的，申請(qǐng)棧內(nèi)存，即靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)存；對(duì)于大于2 048字節(jié)的，申請(qǐng)堆內(nèi)存，即動(dòng)態(tài)內(nèi)存區(qū)內(nèi)存。但是動(dòng)態(tài)內(nèi)存在內(nèi)存池初始化后對(duì)于操作系統(tǒng)來說，它也變成了靜態(tài)的內(nèi)存，因?yàn)樗械膬?nèi)存申請(qǐng)操作以及回收操作，都是這一片在初始化即申請(qǐng)到的系統(tǒng)內(nèi)存上面進(jìn)行。

2.3 內(nèi)存分配使用算法

根據(jù)業(yè)務(wù)模塊調(diào)用傳進(jìn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度參數(shù)，判斷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是屬于哪一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間，如果小于64字節(jié)，即使用64字節(jié)內(nèi)存池，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在64與128之間，則使用128字節(jié)內(nèi)存池，以此類推。

申請(qǐng)到內(nèi)存池的內(nèi)存塊后，內(nèi)存管理模塊，自動(dòng)把它從就緒隊(duì)列移到運(yùn)行隊(duì)列尾，并根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間戳，申請(qǐng)串號(hào)（內(nèi)存池行號(hào)以及列號(hào)），申請(qǐng)內(nèi)存進(jìn)程ID，對(duì)內(nèi)存塊標(biāo)注（形成一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)），直到內(nèi)存申請(qǐng)進(jìn)程釋放這片內(nèi)存，內(nèi)存管理模塊根據(jù)申請(qǐng)串號(hào)在運(yùn)行隊(duì)列找到這片內(nèi)存，并把它內(nèi)容清空，放回到就緒隊(duì)列尾。

2.4 并發(fā)申請(qǐng)

如果使用內(nèi)存管理模塊的應(yīng)用進(jìn)程為多線程處理，就必須在申請(qǐng)內(nèi)存的操作以及釋放內(nèi)存的操作加入互斥機(jī)制，比如線程鎖，或者信號(hào)的PV操作，等等，用來保護(hù)內(nèi)存管理機(jī)制，使其能夠串行地對(duì)內(nèi)存池進(jìn)行操作。

抑或?yàn)榱嗽黾酉到y(tǒng)的并發(fā)性處理機(jī)制，可以在初始化的時(shí)候明確應(yīng)用進(jìn)程使用幾個(gè)線程，為每個(gè)線程獨(dú)立配備一個(gè)內(nèi)存池，這樣不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，加快了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

筆者推薦后一種方法，因?yàn)橥ㄐ跑浖南到y(tǒng)特性，這種處理方法更有利于系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)存作為一個(gè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行依賴最為重要的資源，需要統(tǒng)一地進(jìn)行分配管理，不能由上層的業(yè)務(wù)模塊自行調(diào)用系統(tǒng)A P I，去直接操作系統(tǒng)內(nèi)存，這樣會(huì)造成內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，降低系統(tǒng)的可靠性。

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