摘要:靜態內存實質上是一個靜態數組,靜態內存池內的塊大小在初始化時設定,初始化後塊大小不可變更。靜態內存池由一個控制塊和若干相同大小的內存塊構成。控制塊位於內存池頭部,用於內存塊管理。內存塊的申請和釋放以塊大小爲粒度。
本文分享自華爲雲社區《鴻蒙輕內核M核源碼分析系列八 靜態內存Static Memory》,原文作者:zhushy。
內存管理模塊管理系統的內存資源,它是操作系統的核心模塊之一,主要包括內存的初始化、分配以及釋放。
在系統運行過程中,內存管理模塊通過對內存的申請/釋放來管理用戶和OS對內存的使用,使內存的利用率和使用效率達到最優,同時最大限度地解決系統的內存碎片問題。
鴻蒙輕內核的內存管理分爲靜態內存管理和動態內存管理,提供內存初始化、分配、釋放等功能。
- 動態內存:在動態內存池中分配用戶指定大小的內存塊。
- 優點:按需分配。
- 缺點:內存池中可能出現碎片。
- 靜態內存:在靜態內存池中分配用戶初始化時預設(固定)大小的內存塊。
- 優點:分配和釋放效率高,靜態內存池中無碎片。
- 缺點:只能申請到初始化預設大小的內存塊,不能按需申請。
本文主要分析鴻蒙輕內核靜態內存(Memory Box),後續系列會繼續分析動態內存。靜態內存實質上是一個靜態數組,靜態內存池內的塊大小在初始化時設定,初始化後塊大小不可變更。靜態內存池由一個控制塊和若干相同大小的內存塊構成。控制塊位於內存池頭部,用於內存塊管理。內存塊的申請和釋放以塊大小爲粒度。
本文通過分析靜態內存模塊的源碼,幫助讀者掌握靜態內存的使用。本文中所涉及的源碼,以OpenHarmony LiteOS-M內核爲例,均可以在開源站點https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 獲取。
接下來,我們看下靜態內存的結構體,靜態內存初始化,靜態內存常用操作的源代碼。
1、靜態內存結構體定義和常用宏定義
1.1 靜態內存結構體定義
靜態內存結構體在文件kernel\include\los_membox.h中定義。源代碼如下,⑴處定義的是靜態內存節點LOS_MEMBOX_NODE結構體,⑵處定義的靜態內存的結構體池信息結構體爲LOS_MEMBOX_INFO,,結構體成員的解釋見註釋部分。
⑴ typedef struct tagMEMBOX_NODE {
struct tagMEMBOX_NODE *pstNext; /**< 靜態內存池中空閒節點指針,指向下一個空閒節點 */
} LOS_MEMBOX_NODE;
⑵ typedef struct LOS_MEMBOX_INFO {
UINT32 uwBlkSize; /**< 靜態內存池中空閒節點指針,指向下一個空閒節點 */
UINT32 uwBlkNum; /**< 靜態內存池的內存塊總數量 */
UINT32 uwBlkCnt; /**< 靜態內存池的已分配的內存塊總數量 */
#if (LOSCFG_PLATFORM_EXC == 1)
struct LOS_MEMBOX_INFO *nextMemBox; /**< 指向下一個靜態內存池 */
#endif
LOS_MEMBOX_NODE stFreeList; /**< 靜態內存池的空閒內存塊單向鏈表 */
} LOS_MEMBOX_INFO;
對靜態內存使用如下示意圖進行說明,對一塊靜態內存區域,頭部是LOS_MEMBOX_INFO信息,接着是各個內存塊,每塊內存塊大小是uwBlkSize,包含內存塊節點LOS_MEMBOX_NODE和內存塊數據區。空閒內存塊節點指向下一塊空閒內存塊節點。
1.2 靜態內存常用宏定義
靜態內存頭文件中還提供了一些重要的宏定義。⑴處的LOS_MEMBOX_ALIGNED(memAddr)用於對齊內存地址,⑵處OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize)根據當前節點內存地址addr和內存塊大小blkSize獲取下一個內存塊的內存地址。⑶處OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE表示內存塊中節點頭大小,每個內存塊包含內存節點LOS_MEMBOX_NODE和存放業務的數據區。⑷處表示靜態內存的總大小,包含內存池信息結構體佔用的大小,和各個內存塊佔用的大小。
⑴ #define LOS_MEMBOX_ALIGNED(memAddr) (((UINTPTR)(memAddr) + sizeof(UINTPTR) - 1) & (~(sizeof(UINTPTR) - 1)))
⑵ #define OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize) (LOS_MEMBOX_NODE *)(VOID *)((UINT8 *)(addr) + (blkSize))
⑶ #define OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE sizeof(LOS_MEMBOX_NODE)
⑷ #define LOS_MEMBOX_SIZE(blkSize, blkNum) \
(sizeof(LOS_MEMBOX_INFO) + (LOS_MEMBOX_ALIGNED((blkSize) + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE) * (blkNum)))
在文件kernel\src\mm\los_membox.c中也定義了一些宏和內聯函數。⑴處定義OS_MEMBOX_MAGIC魔術字,這個32位的魔術字的後8位維護任務編號信息,任務編號位由⑵處的宏定義。⑶處宏定義任務編號的最大值,⑷處的宏從魔術字中提取任務編號信息。
⑸處內聯函數設置魔術字,在內存塊節點從靜態內存池中分配出來後,節點指針.pstNext不再指向下一個空閒內存塊節點,而是設置爲魔術字。⑹處的內聯函數用於校驗魔術字。⑺處的宏根據內存塊的節點地址獲取內存塊的數據區地址,⑻處的宏根據內存塊的數據區地址獲取內存塊的節點地址。
⑴ #define OS_MEMBOX_MAGIC 0xa55a5a00
⑵ #define OS_MEMBOX_TASKID_BITS 8
⑶ #define OS_MEMBOX_MAX_TASKID ((1 << OS_MEMBOX_TASKID_BITS) - 1)
⑷ #define OS_MEMBOX_TASKID_GET(addr) (((UINTPTR)(addr)) & OS_MEMBOX_MAX_TASKID)
⑸ STATIC INLINE VOID OsMemBoxSetMagic(LOS_MEMBOX_NODE *node)
{
UINT8 taskID = (UINT8)LOS_CurTaskIDGet();
node->pstNext = (LOS_MEMBOX_NODE *)(OS_MEMBOX_MAGIC | taskID);
}
⑹ STATIC INLINE UINT32 OsMemBoxCheckMagic(LOS_MEMBOX_NODE *node)
{
UINT32 taskID = OS_MEMBOX_TASKID_GET(node->pstNext);
if (taskID > (LOSCFG_BASE_CORE_TSK_LIMIT + 1)) {
return LOS_NOK;
} else {
return (node->pstNext == (LOS_MEMBOX_NODE *)(OS_MEMBOX_MAGIC | taskID)) ? LOS_OK : LOS_NOK;
}
}
⑺ #define OS_MEMBOX_USER_ADDR(addr) \
((VOID *)((UINT8 *)(addr) + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE))
⑻ #define OS_MEMBOX_NODE_ADDR(addr) \
((LOS_MEMBOX_NODE *)(VOID *)((UINT8 *)(addr) - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE))
2、靜態內存常用操作
當用戶需要使用固定長度的內存時,可以通過靜態內存分配的方式獲取內存,一旦使用完畢,通過靜態內存釋放函數歸還所佔用內存,使之可以重複使用。
2.1 初始化靜態內存池
我們分析下初始化靜態內存池函數UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize)的代碼。我們先看看函數參數,VOID *pool是靜態內存池的起始地址,UINT32 poolSize是初始化的靜態內存池的總大小,poolSize需要小於等於*pool開始的內存區域的大小,否則會影響後面的內存區域。還需要大於靜態內存的頭部大小sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)。長度UINT32 blkSize是靜態內存池中的每個內存塊的塊大小。
我們看下代碼,⑴處對傳入參數進行校驗。⑵處設置靜態內存池中每個內存塊的實際大小,已內存對齊,也算上內存塊中節點信息。⑶處計算內存池中內存塊的總數量,然後設置已用內存塊數量.uwBlkCnt爲0。
⑷處如果可用的內存塊爲0,返回初始化失敗。⑸處獲取內存池中的第一個空閒內存塊節點。⑹處把空閒內存塊掛載在靜態內存池信息結構體空閒內存塊鏈表stFreeList.pstNext上,然後執行⑺每個空閒內存塊依次指向下一個空閒內存塊,鏈接起來。
UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize)
{
LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
LOS_MEMBOX_NODE *node = NULL;
UINT32 index;
UINT32 intSave;
⑴ if (pool == NULL) {
return LOS_NOK;
}
if (blkSize == 0) {
return LOS_NOK;
}
if (poolSize < sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)) {
return LOS_NOK;
}
MEMBOX_LOCK(intSave);
⑵ boxInfo->uwBlkSize = LOS_MEMBOX_ALIGNED(blkSize + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE);
if (boxInfo->uwBlkSize == 0) {
MEMBOX_UNLOCK(intSave);
return LOS_NOK;
}
⑶ boxInfo->uwBlkNum = (poolSize - sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)) / boxInfo->uwBlkSize;
boxInfo->uwBlkCnt = 0;
⑷ if (boxInfo->uwBlkNum == 0) {
MEMBOX_UNLOCK(intSave);
return LOS_NOK;
}
⑸ node = (LOS_MEMBOX_NODE *)(boxInfo + 1);
⑹ boxInfo->stFreeList.pstNext = node;
⑺ for (index = 0; index < boxInfo->uwBlkNum - 1; ++index) {
node->pstNext = OS_MEMBOX_NEXT(node, boxInfo->uwBlkSize);
node = node->pstNext;
}
node->pstNext = NULL;
#if (LOSCFG_PLATFORM_EXC == 1)
OsMemBoxAdd(pool);
#endif
MEMBOX_UNLOCK(intSave);
return LOS_OK;
}
2.2 清除靜態內存塊內容
我們可以使用函數VOID LOS_MemboxClr(VOID *pool, VOID *box)來清除靜態內存塊中的數據區內容,需要2個參數,VOID *pool是初始化過的靜態內存池地址。VOID *box是需要清除內容的靜態內存塊的數據區的起始地址,注意這個不是內存塊的節點地址,每個內存塊的節點區不能清除。下面分析下源碼。
⑴處對參數進行校驗,⑵處調用memset_s()函數把內存塊的數據區寫入0。寫入的開始地址是內存塊的數據區的起始地址VOID *box,寫入長度是數據區的長度boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE。
VOID LOS_MemboxClr(VOID *pool, VOID *box)
{
LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
⑴ if ((pool == NULL) || (box == NULL)) {
return;
}
⑵ (VOID)memset_s(box, (boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE), 0,
(boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE));
}
2.3 申請、釋放靜態內存
初始化靜態內存池後,我們可以使用函數VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pool)來申請靜態內存,下面分析下源碼。
⑴處獲取靜態內存池空閒內存塊鏈表頭結點,如果鏈表不爲空,執行⑵,把下一個可用節點賦值給nodeTmp。⑶處把鏈表頭結點執行下一個的下一個鏈表節點,然後執行⑷把分配出來的內存塊設置魔術字,接着把內存池已用內存塊數量加1。⑸處返回時調用宏OS_MEMBOX_USER_ADDR()計算出內存塊的數據區域地質。
VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pool)
{
LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
LOS_MEMBOX_NODE *node = NULL;
LOS_MEMBOX_NODE *nodeTmp = NULL;
UINT32 intSave;
if (pool == NULL) {
return NULL;
}
MEMBOX_LOCK(intSave);
⑴ node = &(boxInfo->stFreeList);
if (node->pstNext != NULL) {
⑵ nodeTmp = node->pstNext;
⑶ node->pstNext = nodeTmp->pstNext;
⑷ OsMemBoxSetMagic(nodeTmp);
boxInfo->uwBlkCnt++;
}
MEMBOX_UNLOCK(intSave);
⑸ return (nodeTmp == NULL) ? NULL : OS_MEMBOX_USER_ADDR(nodeTmp);
}
對申請的內存塊使用完畢,我們可以使用函數UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pool, VOID *box)來釋放靜態內存,需要2個參數,VOID *pool是初始化過的靜態內存池地址。VOID *box是需要釋放的靜態內存塊的數據區的起始地址,注意這個不是內存塊的節點地址。下面分析下源碼。
⑴處根據待釋放的內存塊的數據區域地址獲取節點地址node,⑵對要釋放的內存塊先進行校驗。⑶處把要釋放的內存塊掛在內存池空閒內存塊鏈表上,然後執行⑷把已用數量減1。
LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pool, VOID *box)
{
LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
UINT32 ret = LOS_NOK;
UINT32 intSave;
if ((pool == NULL) || (box == NULL)) {
return LOS_NOK;
}
MEMBOX_LOCK(intSave);
do {
⑴ LOS_MEMBOX_NODE *node = OS_MEMBOX_NODE_ADDR(box);
⑵ if (OsCheckBoxMem(boxInfo, node) != LOS_OK) {
break;
}
⑶ node->pstNext = boxInfo->stFreeList.pstNext;
boxInfo->stFreeList.pstNext = node;
⑷ boxInfo->uwBlkCnt--;
ret = LOS_OK;
} while (0);
MEMBOX_UNLOCK(intSave);
return ret;
}
接下來,我們再看看校驗函數OsCheckBoxMem()。⑴如果內存池的塊大小爲0,返回校驗失敗。⑵處計算出要釋放的內存快節點相對第一個內存塊節點的偏移量offset。⑶如果偏移量除以內存塊數量餘數不爲0,返回校驗失敗。⑷如果偏移量除以內存塊數量的商大於等於內存塊的數量,返回校驗失敗。⑸調用宏OsMemBoxCheckMagic校驗魔術字。
STATIC INLINE UINT32 OsCheckBoxMem(const LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo, const VOID *node)
{
UINT32 offset;
⑴ if (boxInfo->uwBlkSize == 0) {
return LOS_NOK;
}
⑵ offset = (UINT32)((UINTPTR)node - (UINTPTR)(boxInfo + 1));
⑶ if ((offset % boxInfo->uwBlkSize) != 0) {
return LOS_NOK;
}
⑷ if ((offset / boxInfo->uwBlkSize) >= boxInfo->uwBlkNum) {
return LOS_NOK;
}
⑸ return OsMemBoxCheckMagic((LOS_MEMBOX_NODE *)node);
}
小結
本文帶領大家一起剖析了鴻蒙輕內核的靜態內存模塊的源代碼,包含靜態內存的結構體、靜態內存池初始化、靜態內存申請、釋放、清除內容等。後續也會陸續推出更多的分享文章,敬請期待,也歡迎大家分享學習、使用鴻蒙輕內核的心得,有任何問題、建議,都可以留言給我們: https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m/issues 。爲了更容易找到鴻蒙輕內核代碼倉,建議訪問 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m ,關注Watch
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