Cstyle的札记，Freertos内核详解，第1篇

    一种动态内存管理Malloc/Free服务的链表实现 ， 动态内存分配与回收服务，Malloc/Free的实现，最主要的核心内容是单向链表。其数据结构定义如下，一整段内存被SRAM或SDRAM，DRAM由系统的内存管理模块统一管理，这里主要是堆的管理：

typedef struct A_BLOCK_LINK

{

     struct A_BLOCK_LINK  *pxNextFreeBlock;     /*<< The next free block in the list. */

     size_t xBlockSize;                                             /*<< The size of the free block. */

} BlockLink_t;

高地址：0xFFFFFFFF

                    ----------------------

                    |        栈顶(SP)          |

                    |---------------------|                 

                    |            ......               |

                    

                        由顶往底增长

                    ----------------------

                    |         栈底               |

                    |-------------------- |

                                ......

                

                       

                    |          堆底              |

                    ||============||

                    || pxNextFreeBlock ||

                    ||--------------------||

                    ||        Data              ||

                    ||============||

                         从顶往底增长

                    |            ......               |

                    |        堆顶                |

                    |-------------------- |

低地址：0x00000000

    1.首先是堆的大小的定义static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]，这里定义了整个堆的大小configTOTAL_HEAP_SIZE 是可以用户自定义的，当然在某些系统中我们或许想需要动态的去侦测系统RAM的大小，比如DIMM的SPD里面会记录系统的RAM的大小，同时在某些系统当中我们的bootloader/BIOS会占用一部分的内存空间，或者是loader在内存检测的时候发现某些内侧段是不稳定或者有错误发生，他们会屏蔽这一段内存，不让系统去使用，保证系统的稳定性，所以留给系统的RAM空间会进一步的减小，一般在这些系统当中会提供一张表格给OS去读取当前系统可用内存大小比如ACPI table当中的E820表，UBoot当中的各种Tags表格等等，这里暂不考虑这些复杂情况，只考虑静态分配的简单状态。

    2.关于内存的对齐问题。不同的处理器架构对堆的对齐要求不一样,8/4/2/1字节对齐的情况都有可能，具体要看处理器架构与其编译器定义的函数调用规则相关。比如： X64，IA32，ARM64,ARM32,MSC51以及GCC，MS C这些都不太一样，这里就以8字节对齐来讨论，既然是8字节对齐哪么我们就需要对我们预定义的栈大小做一定的修正，保证栈的起始地址与终止地址刚好是8字节对齐的，当然这样会损失掉一小段内存空间。

    3.关于栈的增长方向。一般来说堆和栈的增长方向是刚好相反，如果栈是向下增长的（即从高地址往地址增长，每次PUSH栈操作都会让栈指针减一，当然是先减减在入栈，还是先入栈再减减跟处理器架构有关，有的处理器支持多种模式，提供多种汇编指令供用户选择，当然最终是选择哪一中还需要看C编译器）；反之如果栈是向上增长的情况就跟上面的情况相反。在Microsoft VS环境当中，默认X86要求8自己对齐，X64要求16字节对齐，具体到每一个平台我们可以参考相关的readme，比如MSDN或者GCC的帮助文档。

    4.关于堆的增长方向。上面提到的栈的增长方向，这里说的堆的增长方向，刚好是跟上的是相反，也就是堆和栈刚好存在于可用内存的两端，同时向中间靠拢，所以就衍生出一个问题，我们需要保证他们二者不能重合，也就是不要让堆栈溢出（不管是顶端溢出还是底端溢出都是不允许的）。

    5.关于栈存在于系统内存的那个位置。不同的实现方式不一样，由于大型的OS里面的这个部分实现比较复杂，还没机会去研究清楚，或许有比较巧妙的办法来实现，这里要说的是一个最简单的实现方式，也就是使用BSS段来保存堆，.Stack段来保存栈。

    6.关于.Stack段.BSS段.Data段，.Relocate段.Txt段。一般的C语言编译出来的非OS下的系统代码都会包含这几个段。每个段的具体的作用如下。

    Txt段：这里一般是保存可执行代码，也就是我们真正的code部分。一般保存在只读存储器当中。

    Relocate段：这个不是必须的，一般来说是TXT段被加载到RAM当中的部分。

    Data段：这里保存一些已经初始化过的数据，或者是静态数据。

    BSS段：这里保存了未初始化的数据。

    Stack段：这里保存我们的栈。

可以看出我们的代码部分的每一行代码都有其最终的归宿，我们循迹就能在相关的存储映射区域找到他们。当然每个编译器对这几个部分的名字的定义不完全相同，也不是每一个系统当中都会有这几个段的存在，具体的实现还是跟处理器架构和编译器有关。从这里我们就可以大致了解了栈以及堆他们分别存在于那个位置。

    7.关于栈的默认存储内容。我们可以从上面的栈池ucHeap可以看到，他是一个静态数组，在标准C当中我们的静态未初始化数组是存储在BSS段的，默认值都是零，所以栈的默认值都是零。当然我们也可以在栈初始化的时候写入我们的Tag值，比如：0x55aa来作为栈的一个异常校验。当然这里的BSS段只有在runtime才会被crts0以及其他的c标准库加载到内存，分配内存空间，在build time只是在rom当中记录我们需要的内存大小及相关信息，这样能节省不少存储空间。

    8.关于算法。内存管理算法有N种，知道名字的有什么伙伴算法，固定大小内存块分配法等，每一种的效率和时间空间复杂度都不太一样，在有的系统当中由于要考虑到实时性，也就是说要保证在可预测的时间范围内完成内存的分配，有的需要保证最少的内存碎片，有的要求代码最简洁，有的要求有最高的效率等等，各种策略都不太一样他们被使用在不同的系统当中，当然有的系统提供了相关的配置接口，可用运行用户自行根据自己的实际使用状况，掌控选择自己的内存调度算法。这里我们谈到的是一个比较通用的算法，没有涉及到太多的优化，毕竟普通的系统当中不需要太严格，尤其是对于我们这些业余者来说太复杂反而是负担。所以我只用到了单向链表，内存Block的定义如上，每一个Block负责管理一段连续的内存，记录其地址与长度。所有的Block使用单向链表串起来，我们可以从链表头开始依次查找到我们需要的Block，并使用这个Block。当我们调用Malloc服务的时候，我们会检索链表找到我们需要的Block并标记使用该段内存；当Free服务被调用的时候，我们会标记释放该Block并把它放回内存池当中。同时还需要管理内存碎片，把被释放的Block相邻的Block合并在一起，并释放相应的Block。这个就完成了简单的内存管理。

    9.对齐的算法。下面的算法保证我们的Block都是以8字节对齐，虽然不知道是谁想出来的，但是这个算法的确是可以让最终的结果是8字节对齐的。

        /* The size of the structure placed at the beginning of each allocated memory  block must by correctly byte aligned. */ 

        static const uint16_t heapSTRUCT_SIZE = ( ( sizeof ( BlockLink_t ) + ( portBYTE_ALIGNMENT - 1 ) ) & ~portBYTE_ALIGNMENT_MASK );

   10.栈头与栈尾。除了栈池的定义，我们还需要建立一个栈空间的索引指针，这里我们使用两个指向Block节点的的指针来索引节点。

        /* Create a couple of list links to mark the start and end of the list. */

        static BlockLink_t xStart, *pxEnd = NULL;

    11.空闲栈计数器。定义了一个计数器来让系统追踪系统栈空闲，注意这里 不考虑内存对齐空隙浪费掉的部分。

        /* Keeps track of the number of free bytes remaining, but says nothing aboutfragmentation. */

        static size_t xFreeBytesRemaining = ( ( size_t ) heapADJUSTED_HEAP_SIZE ) & ( ( size_t ) ~portBYTE_ALIGNMENT_MASK );

    12.栈Block owner标志。系统内存有很多种类型，比如我们使用malloc的时候可以指定我们所allocate的内存是什么类型，进而根据不同的类型自定义不同的行为，RW，RO，RW以等以及在UEFI当中我们常见的内存状态，如在GCD当中我们会定义Memery和IO的各种状态，由GCD来控制这些不同的状态的Memory或IO在不同的状态之间转换，如：EfiLoaderCode，EfiLoaderData，EfiBootServicesCode，EfiBootServicesCode，EfiRuntimeServicesCode，EfiConventionalMemory，EfiUnusableMemory，EfiACPIReclaimMemory，EfiACPIMemoryNVS，EfiMemoryMappedIO等等。这时我们就需要再每个Block当中去添加标准Block属性的字段。由于我们的系统当中内存比较小，也没有多种内存类型标标注的要求，我们只需要标准某一段内存是否在使用就行，并且系统内存一般也不会超过4GB，所以xBlockSize的部分的高位一般都是0，这样浪费了大量的存储空间，我们就利用xBlockSize的最高位来标示内存释放被使用。相当于是内存属性的标示。BIT31=1,表示内存被使用；BIT31=0，表示内存是空闲。每次malloc和free的时候需要去动态改变其值。

        /* Gets set to the top bit of an size_t type. When this bit in the xBlockSize member of an BlockLink_t structure is set then the block belongs to the application. When the bit is free the block is still

         part of the free heap space. */

         static size_t xBlockAllocatedBit = 0;

    13.关于重入问题。由于堆池是全局共享的，每次操作相关的数据必须保证互斥性，不然就会导致混乱，具体的怎么保证互斥性方法很多，针对每个硬件平台和系统要求会有不同的实现方式。比如：Mutex就是很好的办法，实质就是在这些非原子操作过程单子不允许去中断。简单的认为有以下几个办法：A.禁止中断。B.禁止任务切换;我们这里采取第二种方式vTaskSuspendAll()。

    14.关于异常处理。最健壮的代码都是那些提前考虑到异常，并且合理的处理了异常的代码，所以这里异常处理部分也是一个非常重要的环节，在合适的地方插入异常处理是一个健壮的合理的程序必备的。合理的利用宏定义把异常处理插入到适当的地方，然后可以再后期hook到真正的异常处理模块当中去。比如：Assert（x）就是一个很好的工具。

    15.关于查找算法。之前有提到我们有xStart, pxEnd两个指针分别指向堆池的头尾，而且他们是按照xBlockSize从小到大排序的。所以查找算法就很简单，只要从头开始顺序比较所申请的内存的大小与堆池中的空闲Block的大小，如果满足就标记返回找到的Block，这个时候我们就可以使用这一块内存了，同时如果找到的Block比较大，我们就把这个BLock分成两部分，一部分返回，一部分插入FreeList里面去。这样就相当于Malloc返回的void类型的指针，下面是实现代码。

            while( ( pxBlock->xBlockSize < xWantedSize ) && ( pxBlock->pxNextFreeBlock != NULL ) )

            {

                 pxPreviousBlock = pxBlock;

                 pxBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock;

            }

    16.关于内存碎片。每次使用Free服务的是都会释放掉Block，这时必然会参数碎片，我们这里使用的算法是，每次Malloc的时候先返回要求大小的内存块的Block，然后把紧接着的部分内存创建新的Block，插入到Freelist当中去。让释放的部分Block的内存与其之前，之后的Block融合到一起形成一个更大的Block，以此来减少碎片的产生，这样理论上能避免碎片的产生，但是同时这种比较简单的逻辑还是由可能会导致在多次malloc和free不同大小的内存块的时候，如果其中有一些Block一直被占用没被释放，产生了很多的不连续的大小不同的碎片块，导致Malloc和Free服务效率降低。只能说这种方式是最直接和最简单的实现方式，在要求不太高的不经常释放内存的系统中还是能正确的完成任务。

    17.可改进的地方：

          A.增加分配的内存的属性和访问权限管理。（如增加BlockLink_t字段；或者根据平台特性把xBlockSize分出更多的bit来控制属性和权限，毕竟一般的系统内存量有限，不会用到32bit，一般的小系统都是几十KB的容量，只需要10bit~20bit就足够）

          B.优化算法，如：进行碎片整理 ，把那些长时间不被释放的内存块搬移到一起，让更多的内存块合并到一起，避免由于内存碎片导致malloc服务调用失败。

          C.针对当前的内存管理机制，当我们调用服务的时候尽量让那些不经常变动的内存块分配到一起，如：尽可能让这些长时间不释放内存的调用放在一起，这样他们分配到的内存块就会是连续在一起，这样就能大大减少碎片的产生。

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