Nucleus操作系统内存池模块移植的研究与应用

   内存池方式的内存管理是一种可计量、高效的内存管理方式，它具有减少内存碎片、提高分配速度、防止内存泄漏等优势[1]。目前在国内基于内核的内存池大多基于Linux内核[2]。本文主要基于Nucleus操作系统内核来介绍内存池静态与动态分配在TD-LTE无线综合测试仪移植中的研究与应用，阐述了在不同分配方式中的内存池结构、分配算法以及适用环境。
1 静态方式分配内存池
    静态内存池管理方式中内存池分为池(pool)和块(partition)。之所以称之为静态管理方式，是因为在使用过程中块的大小是固定的(即在创建过程中块大小是确定的)。静态内存池的整体结构如图1所示，池和块都有自己的头，池是由双向循环链表链接而成，块是由单向链表链接而成，每一块的头中还包含了自己属于哪一个池的属性。可用块的信息以单向链表的形式存储于池头中，并且可用块与已经分配的块的个数都在池头中有记录。

1.1 静态内存池的创建
    池头中的主要参数包括内存池控制块指针、内存池名（只取8个字符）、起始地址、内存池总大小（字节为单位）、内存池分块大小（字节为单位）、挂起方式（先进先出或按优先级）等，图2是仿真器上运行过程中静态内存池结构体截图。
    对图2中两个结构体链表参数说明如下：(1)pm_created：当前已经创建的内存池，采用双向循环链表连接，插入方式是在最后一个节点和首节点间填充；(2)pm_available_list：存储当前还可用partition的链表，结构与块的头部结构header_ptr相同（PM_OVERHEAD=8 B小块的头header_ptr：单向链表，内部有指向下一小块的指针和所属大块的控制块地址）。

    在Nucleus内核中，内存池的创建主要由函数PMC_Create_Partition_Pool负责，创建流程如下：调用过程中首先进行参数合法性检测；然后在池头（控制块）中写入各个参数，创建链表；之后是一个重要的循环体，负责初始化partition链表，分配所有的partition，每个partition的大小在分配时需要在函数传入参数值的基础上加8 B，用来存储header_ptr；最后在内存池线程保护后将新的内存池插入内存池链表并计数。
1.2 静态内存池的分配
    在TD-LTE无线综合测试仪中分配前由协议栈提供所需要分配的大小，这里主要是放置协议内部配置信息与层间交互原语。由于这些信息的大小固定，只是有几种不同大小的固定模式，所以很适合采用静态分配的方式来分配内存，只需要根据数据大小选择密度合适的内存池即可。移植过程中使用了不同大小的partition构建不同密度的内存池，因此，可根据申请partition的大小来判定用那种密度的内存池，以减少内部碎片的大小。这种方法可以有效避免空间浪费[3]，同时又可提高分配效率。
    在Nucleus内核中静态内存池的分配主要由函数PMC_Allocate_Partition负责，其主要参数为内存池指针（指向调用的内存指针，不能为NULL，设置为可用内存地址即可）、分配大小和挂起标志位。函数中主要判断内存池指针是否合法、内存池与partition是否匹配、指向调用的内存指针是否合法、任务挂起标志位是否有效。其分配流程如图3所示。过程如下：调用内核函数TCT_System_Protect(TCT_Protect)保护内存池同步互斥通道。判断是否还有可用partition，若有，则将可用数量减1、分配数量加1并更新pm_available_list以及将指向调用内存指针赋值为当前分配的partition地址(partition地址要+8 B删去头)；若没有，则将任务挂起直至有可用Partition才恢复。最后解保护并返回。

1.3 静态内存池的释放
    系统采用PMC_Deallocate_Partition函数来完成释放。流程如下：调用内核函数保护内存池同步互斥通道。判断是否有等待任务，若有，则分配给这个任务当前partition，再判断当前任务是否允许被抢占，允许就调用TCT_Control_To_System抢占当前任务、激活等待内存的任务；若没有，则等待任务，将当前partition重新接入到可用partition列表的头部。最后调用TCT_Unprotect解保护。
2 动态方式分配内存池
    动态内存池也分为池和块两个部分，动态池直接由双向循环链表实现连接。内部块是动态分配的，由最小可分配空间来限制块的最小值。与静态分配不同，动态分配块也由双向循环链表来链接。创建时的初始结构为两个块，在申请时动态分割。图4是仿真器上运行过程中动态内存池与块的结构体截图。

    池控制块结构中dm_memory_list与块头结构体相同，池通过dm_memory_list来完成块搜索；块头结构中dm_memory_pool与大块头结构相同，通过它来比配大块。
2.1 动态内存池的创建
    初始化完成时的内存结构：初始化创建完成时内存池中有2个块，1个大小为总大小减去32 B，包含自己的头DM_OVERHEAD=16 B，设置为可以状态free=‘0x01’；1个大小为16 B，只有自己的头，没有空间，设置为不可以状态free=‘0x00’。因此，此时的可用空间为除去池的控制块外的总大小减去32 B。初始化结构如图5所示（没有将池控制块表示出来）。

 

    创建时，首先为控制块指针赋值，内存池大小与最小分区大小进行字对齐校正；判断控制块指针、起始地址、最小分配空间、挂起标志是否合法。创建过程如下：初始化控制块中的各个参数，并按图5初始化小块、创建小块双向循环链表，与静态分配相同需要先进行线程保护再加入到池动态内存池链表。
2.2 动态内存池的申请
    动态申请主要用于操作系统内模块(如任务、队列等)的堆栈分配与模块占用空间的分配。由于在TD-LTE无线综合测试仪中这些分配的空间大小浮动不定，因此需要使用动态分配内存。Nucleus中动态分配采用首次匹配原则，每一次申请内存时动态分配申请大小加16 B(这个16 B的头对应剩下的可用空间)的内存池空间，并把分配过的部分设置为不可用状态free=‘0x00’。
    负责实现的函数是DMC_Allocate_Memory。首先进行各种参数的合法性检测，然后将分配空间size小于最小分配空间的分配空间大小赋值为最小空间，对size进行字对齐处理，调用线程保护后采用首先匹配法来找适用空间，即：在循环体中先判断free标志，是空闲块(free=‘0x01’)，则算出减去本次分配的头后所剩的空间，当此空间大于本次请求size时进行分配，小于时则移动到下一个块；若不是空闲块，则直接把剩余空间设置为0进行后面小于size时移动到下一个块的判断。注意：这里用到了控制块中的dm_search_ptr属性（结构与小块的头相同），该属性用于记录开始匹配的起始位置，作为判断循环体结束的条件之一，如果循环到此处，就表示没有找到可分配空间。图6是动态分配的流程图。

    循环结束后判断是否找到可用于分配的块，若找到则进行是否需要分割该可用块的判断。条件是这个可用块的大小大于或等于本次所需空间size+头大小+最小分配空间的值，若满足此条件则分割出一个新块并对其加头初始化，再计算出剩余可用空间；不满足此条件则直接计算剩余可用空间。分配的空间标志为非空闲后，把所分配空间的地址赋给指向调用的内存指针（注意去头）。为提高效率，还需要进行一个简单处理，即判断如果在搜索块时一次性匹配成功，则将dm_search_ptr移向下一个块。
    如果没有找到可用块则将任务挂起等待，没有采用挂起模式则直接返回NULL给指向调用的内存指针，最后调用TCT_Unprotect解保护。图7是分配第一块内存后动态内存池的结构。

2.3 动态内存池的释放
    释放过程与静态类似，需要注意的是，如果相邻块有空闲块需要合并，则合并后把dm_search_ptr指向当前合并的空闲块。
    动态分配内存的算法复杂度要高于静态分配，从时间复杂度来看，静态分配是O(1)、动态是O(n)。但是动态分配的内存利用率要高于静态分配内存[5]，在实际应用中要结合具体情况决定采用何种分配方式。在本设计中合理使用了两种分配方式：在静态分配中进行密度的动态判断，在动态分配中进行静态的最小分配大小匹配。动、静相结合，使操作系统在分配中尽可能地节约内存的同时，有效减少了内存碎片。本分配方式已经运用于TD-LTE无线综合测试仪中，在实现操作系统基本内存管理功能的同时，满足了TD-LTE无线综合测试仪对系统内存资源和调度时间的设计要求。
参考文献
[1] 冯宝祥，王桂棠.嵌入式实时操作系统Nucleus PLUS在S3C2410A上移植的实现[J].电子设计应用，2007(5)：104-106.
[2] 王小银，陈莉君.Linux内核中内存池的实现及应用[J]. 西安邮电学院学报，2001，16(4)：40-43.
[3] 张磊，王忠仁.嵌入式系统中一种池式内存管理中应用 [J].实验科学与技术，2007，5(2)：150-152
[4] LMAS S H.An application-level memory management service[C].ICTTA 2008.3rd International Conference on.7-11 April 2008：1-4.
[5] MUTSCHLER D W.Enhancement of memory pools toward a  multi-threaded implementation of the Joint integrated mission  model(JIMM)[C].WSC 06.Proceedings of the Winter.3-6 Dec.2006：856-862.