一種基于機(jī)載嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理方式

薛楠　李斌　王曉華　楊明偉　杜建華

摘要：在嵌入式軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)中，軟件的安全性和穩(wěn)定性是非常重要的，一個(gè)大型的嵌入式軟件是由各個(gè)不同功能的軟件子系統(tǒng)構(gòu)成的[1]。在眾多不同功能的軟件子系統(tǒng)中，內(nèi)存管理功能模塊是最重要的子功能模塊，也是其他子功能模塊的基礎(chǔ)[2]。該文提出了一種基于動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理和分配的雙向鏈表管理方式，在動(dòng)態(tài)給定存儲(chǔ)地址和空間大小基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要，將存儲(chǔ)空間作為內(nèi)存池進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)功能包括動(dòng)態(tài)的內(nèi)存申請(qǐng)和釋放，以及給定地址內(nèi)存塊的查詢，高效、動(dòng)態(tài)地對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行操作。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);內(nèi)存管理;雙向鏈表

中圖分類號(hào)：TP309 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0281-02

1 引言

在嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)過(guò)程中，由于嵌入式系統(tǒng)的特殊性，系統(tǒng)擁有的資源是十分有限的，但是又要滿足各個(gè)子系統(tǒng)功能的使用要求，這就要求對(duì)嵌入式系統(tǒng)資源進(jìn)行最高效、合理的使用[3]。內(nèi)存管理是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中非常重要的子功能，由于資源的限制，內(nèi)存資源是否被合理利用并且高效利用已經(jīng)成為嵌入式軟件開發(fā)的核心[4]。

在一般的靜態(tài)內(nèi)存管理中，嵌入式系統(tǒng)軟件可以使用操作系統(tǒng)封裝的內(nèi)存分配和內(nèi)存釋放接口，而其管理是經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)進(jìn)行的，并且內(nèi)存空間的首地址和大小一般也是固定的。開發(fā)者只可看到內(nèi)存空間是否分配成功、是否釋放成功和是否引起內(nèi)存泄露等[5]。動(dòng)態(tài)分配是根據(jù)實(shí)時(shí)需要，將一段動(dòng)態(tài)給定的地址空間作為一個(gè)內(nèi)存池，根據(jù)內(nèi)存池的首地址和長(zhǎng)度對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行合理化的動(dòng)態(tài)分段管理和使用。因此，內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理方式相比內(nèi)存靜態(tài)管理方式更加靈活，內(nèi)存使用率也更高。本文提出一種機(jī)載嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理方式，使用雙向鏈表方式動(dòng)態(tài)對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行管理和操控，在內(nèi)存空間資源有限的前提下高效利用空間資源，并且極大程度減少內(nèi)存泄露的發(fā)生[6]。

2 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方案與設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)存池初始化

一般情況下，動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的方式是在系統(tǒng)需要時(shí)，實(shí)時(shí)的根據(jù)給定的一段可用物理內(nèi)存空間的首地址和內(nèi)存空間長(zhǎng)度，通過(guò)一定的方式將物理內(nèi)存空間轉(zhuǎn)化成軟件可直接操控的空間，提供給軟件各個(gè)功能模塊使用[7]。本文提出的內(nèi)存管理方式，首先根據(jù)提供的可用內(nèi)存首地址和內(nèi)存長(zhǎng)度，根據(jù)字節(jié)對(duì)齊將這段內(nèi)存空間分配為一個(gè)分段連續(xù)的內(nèi)存池空間，可看作連續(xù)的內(nèi)存塊組。根據(jù)多少字節(jié)對(duì)齊可以由需求動(dòng)態(tài)決定，對(duì)齊的字節(jié)個(gè)數(shù)保持和每次需要申請(qǐng)空間的大小一致，或可將需要的內(nèi)存空間大小整除，可將內(nèi)存充分使用，避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。使用過(guò)程中也可以根據(jù)需要針對(duì)同一個(gè)內(nèi)存空間，使用不同的對(duì)齊字節(jié)分配多個(gè)子內(nèi)存池來(lái)滿足使用。

定義一個(gè)雙向鏈表結(jié)構(gòu)體變量指針，作為第一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，其中的內(nèi)存空間變量指針指向內(nèi)存池內(nèi)存塊組的第一個(gè)內(nèi)存塊，結(jié)構(gòu)體變量中保存了直接前驅(qū)和直接后繼兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的指針（初始都為NULL），以及當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量指針?biāo)竷?nèi)存塊和當(dāng)前結(jié)構(gòu)體的直接后繼結(jié)構(gòu)體變量所指向內(nèi)存塊之間的內(nèi)存塊使用與否的標(biāo)志變量（初始為未使用）以及內(nèi)存塊個(gè)數(shù)（初始為所有內(nèi)存塊） 。

2.2 給定大小內(nèi)存空間申請(qǐng)

當(dāng)需要申請(qǐng)內(nèi)存空間時(shí)，首先找到當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量，并計(jì)算需申請(qǐng)的內(nèi)存空間需要使用多少個(gè)內(nèi)存塊。先判斷當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量指向的內(nèi)存中剩余的內(nèi)存塊個(gè)數(shù)是否大于需要申請(qǐng)的內(nèi)存空間所使用的內(nèi)存塊個(gè)數(shù)并且剩余內(nèi)存塊組使用標(biāo)志位是否為未使用，然后申請(qǐng)一個(gè)新的雙向鏈表結(jié)構(gòu)體變量指針，新結(jié)構(gòu)體變量指針的內(nèi)存空間變量指針指向的地址空間為當(dāng)前的結(jié)構(gòu)體變量指向的內(nèi)存塊地址向后偏移一段長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度為需要申請(qǐng)的內(nèi)存空間所使用的內(nèi)存塊個(gè)數(shù)，其直接前驅(qū)指針指向當(dāng)前的結(jié)構(gòu)體變量，直接后繼指針指向當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量的直接后繼結(jié)構(gòu)體變量，其當(dāng)前可用內(nèi)存塊個(gè)數(shù)為當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量中保存的內(nèi)存塊個(gè)數(shù)減去需要申請(qǐng)的內(nèi)存空間所使用的內(nèi)存塊個(gè)數(shù)后余下的內(nèi)存塊個(gè)數(shù)，并將當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量中的內(nèi)存塊使用與否標(biāo)記為使用，將新的結(jié)構(gòu)體變量中的內(nèi)存塊使用與否標(biāo)記為未使用。最后將當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量指向的內(nèi)存塊地址傳出給外部使用，并將新的結(jié)構(gòu)體變量當(dāng)作當(dāng)前的結(jié)構(gòu)體變量;若剛開始當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量指向的內(nèi)存塊使用標(biāo)志為已使用或可用內(nèi)存塊個(gè)數(shù)不夠，則繼續(xù)尋找下一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，若為空則當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量取值為指向第一個(gè)內(nèi)存塊的結(jié)構(gòu)體變量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存空間的環(huán)形尋址使用。

作為舉例，根據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)齊的字節(jié)長(zhǎng)度為a。假設(shè)當(dāng)前分配好的內(nèi)存池大小為a*n，總共可分配n個(gè)內(nèi)存塊?，F(xiàn)在已申請(qǐng)3a大小內(nèi)存塊基礎(chǔ)上需再申請(qǐng)2a大小的內(nèi)存塊，具體流程圖如圖1所示，灰色內(nèi)存塊標(biāo)注已使用。

若后面需申請(qǐng)的內(nèi)存空間大小所需內(nèi)存塊個(gè)數(shù)超過(guò)n-5，當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量指針中標(biāo)記的剩余內(nèi)存塊個(gè)數(shù)不夠，且當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量指針的直接后繼指針為空，則將第一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量First標(biāo)記為當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量指針，繼續(xù)之前操作。

2.3 釋放給定地址內(nèi)存塊

當(dāng)需要釋放內(nèi)存空間時(shí)，首先根據(jù)內(nèi)存地址尋找其在內(nèi)存池中所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊，并找到保存這個(gè)內(nèi)存塊首地址的目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量。將目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量使用標(biāo)志設(shè)為未使用，然后取目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量的直接前驅(qū)和直接后繼兩個(gè)結(jié)構(gòu)體變量指針，若前后兩個(gè)結(jié)構(gòu)體變量所指向的內(nèi)存塊組均不為空，并且使用標(biāo)志位和目標(biāo)結(jié)構(gòu)體指向的內(nèi)存塊一致，則將此三個(gè)結(jié)構(gòu)體變量合成為一個(gè)，并將其中的所有內(nèi)存塊合并為一整個(gè)內(nèi)存塊，指針指向此內(nèi)存塊的結(jié)構(gòu)體變量設(shè)置為當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量;若目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量的直接前驅(qū)或直接后繼結(jié)構(gòu)體變量所指向內(nèi)存塊組的使用標(biāo)志位和目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量不一致，則不對(duì)使用標(biāo)志位不一致的結(jié)構(gòu)體變量以及對(duì)應(yīng)的內(nèi)存塊組進(jìn)行合并。作為舉例，要釋放第二個(gè)結(jié)構(gòu)體變量指針指向的內(nèi)存塊組，內(nèi)存塊組有兩個(gè)內(nèi)存塊，如圖2所示：

首先將目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量標(biāo)記的內(nèi)存塊組使用標(biāo)記設(shè)置為未使用，然后修改其直接前驅(qū)和直接后繼的頭尾指針，將目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量中包含的可用內(nèi)存塊組個(gè)數(shù)疊加到其直接前驅(qū)結(jié)構(gòu)體變量中，將目標(biāo)結(jié)構(gòu)體變量和其直接前驅(qū)結(jié)構(gòu)體變量合稱為一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，描述為當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量。最后用同樣方式，將當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量和直接后繼結(jié)構(gòu)體變量合成為一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，描述為當(dāng)前結(jié)構(gòu)體變量。具體流程圖如圖3所示：

釋放指定內(nèi)存塊，就是將指向其地址的結(jié)構(gòu)體變量和其直接前驅(qū)以及直接后繼三個(gè)結(jié)構(gòu)體變量進(jìn)行合成，疊加其可用內(nèi)存塊個(gè)數(shù)，并釋放其所指內(nèi)存塊組。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式，該方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的動(dòng)態(tài)管理，和內(nèi)存高效、高速申請(qǐng)和釋放，通過(guò)實(shí)時(shí)傳入的空間地址、空間大小以及實(shí)時(shí)需要，動(dòng)態(tài)申請(qǐng)分配內(nèi)存池，并且使用雙向鏈表結(jié)構(gòu)體指針來(lái)動(dòng)態(tài)管理內(nèi)存池，保證了內(nèi)存空間使用的合理性以及連續(xù)性，很大程度上避免了內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，并且保證了內(nèi)存管理功能模塊的穩(wěn)定性和整個(gè)嵌入式軟件的安全性。經(jīng)過(guò)測(cè)試本文提出的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式是一種高效、綜合性能好內(nèi)存管理方式，可作為一種內(nèi)存管理方案滿足嵌入式系統(tǒng)軟件使用要求。

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