LwIP 协议栈源码详解 ——TCP/IP 协议的实现（三：动态内存管理）

2  动态内存管理
最近电力局很不给力啊，隔三差五的停电，害得我们老是痛苦的双扣斗地主，不带这样
的啊！今天还写吗？写，必须的。
昨天把 LWIP 的移植工作框架说了一下，网上也有一大筐的关于移植细节的文档。有兴
趣的童鞋不妨去找找。这里，我很想探究 LWIP 内部协议实现的细节，以及所有盘根错节的
问题的来龙去脉。以后的讨论研究将按照 LWIP 英文说明文档 《Design and Implementation of 
the LWIP：TCP/IP Stack》的结构组织展开。
这里讨论 LWIP 的动态内存管理机制。
总的来说，LWIP 的动态内存管理机制可以有三种：C 运行时库自带的内存分配策略、
动态内存堆(HEAP)分配策略和动态内存池(POOL)分配策略。
动态内存堆分配策略和 C 运行时库自带的内存分配策略具有很大的相似性，这是 LWIP
模拟运行时库分配策略实现的。这两种策略使用者只能从中选择一种，这通过头文件
lwippools.h （我注：我查看现在源代码是在lwip/opts.h中）中的宏定义 MEM_LIBC_MALLOC 来实现的，当它被定义为 1 时则使用标准 C
运行时库自带的内存分配策略，而为 0 时则使用 LWIP 自身的动态内存堆分配策略。一般情
况下，我们选择使用 LWIP 自身的动态内存堆分配策略，这里不对 C 运行时库自带的内存分
配策略进行讨论。
同时，动态内存堆分配策略可以有两种实现方式，纠结….第一种就是如前所述的通过
开辟一个内存堆，然后通过模拟 C 运行时库的内存分配策略来实现。第二种就是通过动态
内存池的方式来实现，也即动态内存堆分配函数通过简单调用动态内存池(POOL)分配函数
来完成其功能(太敷衍了事了)，在这种情况下，用户需要在头文件 lwippools.h 中定义宏
MEM_USE_POOLS 和 MEM_USE_CUSTOM_POOLS 为 1，同时还要开辟一些额外的缓冲池
区，如下：
LWIP_MALLOC_MEMPOOL_START 
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(20, 256) 
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(10, 512) 
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(5, 1512) 
LWIP_MALLOC_MEMPOOL_END 
这几句摘自 LWIP 源码注释部分，表示为动态内存堆相关功能函数分配 20 个 256 字节
长度的内存块，10 个 512 字节的内存块，5 个 1512 字节的内存块。内存池管理会根据以上
的宏自动在内存中静态定义一个大片内存用于内存池。在内存分配申请的时候，自动根据所
请 求 的 大 小 ， 选 择 最 适 合 他 长 度 的 池 里 面 去 申 请 ， 如 果 启 用 宏
MEM_USE_POOLS_TRY_BIGGER_POOL，那么，如果上述的最适合长度的池中没有空间
可以用了，分配器将从更大长度的池中去申请，不过这样会浪费更多的内存。晕乎乎…..就
这样了，这种方式一般不会被用到。哎，就最后这句话给力。
下面讨论动态内存堆分配策略的第一种实现方式，这也是一般情况下被使用的方式。这
部分讨论主要参照网上 Oldtom’s Blog，TA 写得很好(但是也有一点小小的错误)，所以一不
小心被我借用了。
动态内存堆分配策略原理就是在一个事先定义好大小的内存块中进行管理，其内存分配
的策略是采用最快合适（First Fit）方式，只要找到一个比所请求的内存大的空闲块，就从
中切割出合适的块，并把剩余的部分返回到动态内存堆中。分配的内存块有个最小大小的限
制，要求请求的分配大小不能小于 MIN_SIZE，否则请求会被分配到 MIN_SIZE 大小的内存
空间。一般 MIN_SIZE 为 12 字节，在这 12 个字节中前几个字节会存放内存分配器管理用
的私有数据，该数据区不能被用户程序修改，否则导致致命问题。内存释放的过程是相反的
过程，但分配器会查看该节点前后相邻的内存块是否空闲，如果空闲则合并成一个大的内存
空闲块。采用这种分配策略，其优点就是内存浪费小，比较简单，适合用于小内存的管理，
其缺点就是如果频繁的动态分配和释放，可能会造成严重的内存碎片，如果在碎片情况严重
的话，可能会导致内存分配不成功。对于动态内存的使用，比较推荐的方法就是分配->释放
->分配->释放，这种使用方法能够减少内存碎片。下面具体来看看 LWIP 是怎么来实现这些
函数的。
mem_init( )  内存堆的初始化函数，主要是告知内存堆的起止地址，以及初始化空闲列
表，由 lwip 初始化时自己调用，该接口为内部私有接口，不对用户层开放。
mem_malloc( )  申请分配内存。将总共需要的字节数作为参数传递给该函数，返回值是
指向最新分配的内存的指针，而如果内存没有分配好，则返回值是 NULL，分配的空间大小
会收到内存对齐的影响，可能会比申请的略大。返回的内存是“没有“初始化的。这块内存
可能包৿任何随机的垃圾，你可以马上用有效数据或者至少是用零来初始化这块内存。内存
的分配和释放，不能在中断函数里面进行。内存堆是全局变量，因此内存的申请、释放操作
做了线程安全保护，如果有多个线程在同时进行内存申请和释放，那么可能会因为信号量的
等待而导致申请耗时较长。
mem_calloc( )  是对 mem_malloc( )函数的简单包装，他有两个参数，分别为元素的数目
和每个元素的大小，这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小，与 mem_malloc()不
同的是它会把动态分配的内存清零。有经验的程序员更喜欢使用 mem_ calloc ()，因为这样
的话新分配内存的内容就不会有什么问题，调用 mem_ calloc ()肯定会清 0，并且可以避免
调用 memset()。
休息…………
动态内存池(POOL)分配策略可以说是一个比较笨的分配策略了，但其分配策略实现简
单，内存的分配、释放效率高，可以有效防止内存碎片的产生。不过，他的缺点是会浪费部
分内存。
为什么叫 POOL？这点很有趣， POOL 有很多种，而这点依赖于用户配置 LWIP 的方式。
例如用户在头文件 opt.h 文件中定义 LWIP_UDP 为 1，则在编译的时候与 UDP 类型内存池
就会被建立；定义 LWIP_TCP 为 1，则在编译的时候与 TCP 类型内存池就会被建立。另外，
还有很多其他类型的内存池，如专门存放网络包数据信息的 PBUF_POOL、还有上面讲解动
态内存堆分配策略时提到的 CUSTOM_POOLS 等等等等。某种类型的 POOL 其单个大小是
固定的，而分配该类 POOL 的个数是可以用户配置的，用户应该根据协议栈实际使用状况
进行配置。把协议栈中所有的 POOL 挨个放到一起，并把它们放在一片连续的内存区域，
这呈现给用户的就是一个大的缓冲池。所以，所谓的缓冲池的内部组织应该是这样的：开始
处放了 A 类型的 POOL 池 a 个，紧接着放上 B 类型的 POOL 池 b 个，再接着放上 C 类型的
POOL 池 c 个….直至最后 N 类型的 POOL 池 n 个。这一点很像 UC/OSII 中进程控制块和事
件控制块，先开辟一堆各种类型的放那，你要用直接来取就是了。注意，这里的分配必须是
以单个缓冲池为基ᴀ单位的，在这样的情况下，可能导致内存浪费的情况。这是很明显的啊，
不解释。
下面我来看看在 LWIP 实现中是怎么开辟出上面所论述的大大的缓冲池的(‘的’这个字，
今天让我们一群人笑了很久)。基ᴀ上绝大部分人看到这部分代码都会被打得晕头转向，完
全不晓得作者是在干啥，但是仔细理解后，你不得不佩服作者超凡脱俗的代码写能力，差一
点用了沉鱼落雁这个词，罪过。上代码： 
static u8_t memp_memory static u8_t memp_memory    [ [[ [    MEM_ALIGNMENT  MEM_ALIGNMENT - -- - 1  1 1  1 
#define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) + #define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) +    ( (num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size) ) ) ( (num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size) ) ) 
#include "lwip/memp_std.h" #include "lwip/memp_std.h" 
]; 
上面的代码定义了缓冲池所使用的内存缓冲区，很多人肯定会怀疑这到底是不是一个数组的
定义。定义一个数组，里面居然还有 define 和 include 关键字。解决问题的关键就在于头文
件 memp_std.h，它里面的东西可以被简化为诸多条 LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc)。
又由于用了 define 关键字将 LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc)定义为
+((num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size)))，所以，memp_std.h 被编译后就为一
条一条的+（），+（），+（），+（）….所以最终的数组 memp_memory  等价定义为：
static u8_t memp_memory [ MEM_ALIGNMENT – 1 
+（）
+（）….]；
如果此刻你还没懂，只能说明我的表述能力有问题了。当然还有个小小的遗留问题，为什么
数组要比实际需要的大 MEM_ALIGNMENT – 1？作者考虑的是编译器的字对齐问题，到此
打住，这个问题不能深究啊，以后慢慢讲。
复制上面的数组建立的方法，协议栈还建立了一些与缓冲池管理的全局变量：
memp_num：这个静态数组用于保存各种类型缓冲池的成员数目
memp_sizes：这个静态数组用于保存各种类型缓冲池的结构大小
memp_tab：这个指针数组用于指向各种类型缓冲池当前空闲节点
接下来就是理所当然的实现函数了：
memp_init（）：内存池的初始化，主要是为每种内存池建立链表 memp_tab，其链表是逆序
的，此外，如果有统计功能使能的话，也把记录了各种内存池的数目。
memp_malloc（）：如果相应的 memp_tab 链表还有空闲的节点，则从中切出一个节点返回，
否则返回空。
memp_free（）：把释放的节点添加到相应的链表 memp_tab 头上。
从上面的三个函数可以看出，动态内存池分配过程时相当的简洁直观啊。

HC:百度说是胡扯的意思。哈哈…… 

个人认为这段还是很好理解的，在移植的时候配置就行了，具体实现lwip已经实现了。当然在看别人文档时也发现很多跟自己找的源代码不同的地方，这个需要甄别！