解析鴻蒙輕內(nèi)核靜態(tài)內(nèi)存的使用
一、前言
內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，它是操作系統(tǒng)的核心模塊之一，主要包括內(nèi)存的初始化、分配以及釋放。
在系統(tǒng)運行過程中，內(nèi)存管理模塊通過對內(nèi)存的申請/釋放來管理用戶和OS對內(nèi)存的使用，使內(nèi)存的利用率和使用效率達到最優(yōu)，同時最大限度地解決系統(tǒng)的內(nèi)存碎片問題。
鴻蒙輕內(nèi)核的內(nèi)存管理分為靜態(tài)內(nèi)存管理和動態(tài)內(nèi)存管理，提供內(nèi)存初始化、分配、釋放等功能。
動態(tài)內(nèi)存：在動態(tài)內(nèi)存池中分配用戶指定大小的內(nèi)存塊。
- 優(yōu)點：按需分配。
- 缺點：內(nèi)存池中可能出現(xiàn)碎片。
靜態(tài)內(nèi)存：在靜態(tài)內(nèi)存池中分配用戶初始化時預設(shè)（固定）大小的內(nèi)存塊。
- 優(yōu)點：分配和釋放效率高，靜態(tài)內(nèi)存池中無碎片。
- 缺點：只能申請到初始化預設(shè)大小的內(nèi)存塊，不能按需申請。
本文主要分析鴻蒙輕內(nèi)核靜態(tài)內(nèi)存（Memory Box），后續(xù)系列會繼續(xù)分析動態(tài)內(nèi)存。靜態(tài)內(nèi)存實質(zhì)上是一個靜態(tài)數(shù)組，靜態(tài)內(nèi)存池內(nèi)的塊大小在初始化時設(shè)定，初始化后塊大小不可變更。靜態(tài)內(nèi)存池由一個控制塊和若干相同大小的內(nèi)存塊構(gòu)成?？刂茐K位于內(nèi)存池頭部，用于內(nèi)存塊管理。內(nèi)存塊的申請和釋放以塊大小為粒度。
本文通過分析靜態(tài)內(nèi)存模塊的源碼，幫助讀者掌握靜態(tài)內(nèi)存的使用。本文中所涉及的源碼，以O(shè)penHarmony LiteOS-M內(nèi)核為例，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(tài)內(nèi)存的結(jié)構(gòu)體，靜態(tài)內(nèi)存初始化，靜態(tài)內(nèi)存常用操作的源代碼。
二、靜態(tài)內(nèi)存結(jié)構(gòu)體定義和常用宏定義
2.1、靜態(tài)內(nèi)存結(jié)構(gòu)體定義
靜態(tài)內(nèi)存結(jié)構(gòu)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(tài)內(nèi)存節(jié)點LOS_MEMBOX_NODE結(jié)構(gòu)體，⑵處定義的靜態(tài)內(nèi)存的結(jié)構(gòu)體池信息結(jié)構(gòu)體為LOS_MEMBOX_INFO，，結(jié)構(gòu)體成員的解釋見注釋部分。
⑴ typedef struct tagMEMBOX_NODE {
struct tagMEMBOX_NODE *pstNext; /**< 靜態(tài)內(nèi)存池中空閑節(jié)點指針，指向下一個空閑節(jié)點 */
} LOS_MEMBOX_NODE;
⑵ typedef struct LOS_MEMBOX_INFO {
UINT32 uwBlkSize; /**< 靜態(tài)內(nèi)存池中空閑節(jié)點指針，指向下一個空閑節(jié)點 */
UINT32 uwBlkNum; /**< 靜態(tài)內(nèi)存池的內(nèi)存塊總數(shù)量 */
UINT32 uwBlkCnt; /**< 靜態(tài)內(nèi)存池的已分配的內(nèi)存塊總數(shù)量 */
#if (LOSCFG_PLATFORM_EXC == 1)
struct LOS_MEMBOX_INFO *nextMemBox; /**< 指向下一個靜態(tài)內(nèi)存池 */
#endif
LOS_MEMBOX_NODE stFreeList; /**< 靜態(tài)內(nèi)存池的空閑內(nèi)存塊單向鏈表 */
} LOS_MEMBOX_INFO;
對靜態(tài)內(nèi)存使用如下示意圖進行說明，對一塊靜態(tài)內(nèi)存區(qū)域，頭部是LOS_MEMBOX_INFO信息，接著是各個內(nèi)存塊，每塊內(nèi)存塊大小是uwBlkSize，包含內(nèi)存塊節(jié)點LOS_MEMBOX_NODE和內(nèi)存塊數(shù)據(jù)區(qū)?？臻e內(nèi)存塊節(jié)點指向下一塊空閑內(nèi)存塊節(jié)點。
2.2、靜態(tài)內(nèi)存常用宏定義
靜態(tài)內(nèi)存頭文件中還提供了一些重要的宏定義。⑴處的LOS_MEMBOX_ALIGNED(memAddr)用于對齊內(nèi)存地址，⑵處OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize)根據(jù)當前節(jié)點內(nèi)存地址addr和內(nèi)存塊大小blkSize獲取下一個內(nèi)存塊的內(nèi)存地址。⑶處OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE表示內(nèi)存塊中節(jié)點頭大小，每個內(nèi)存塊包含內(nèi)存節(jié)點LOS_MEMBOX_NODE和存放業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)區(qū)。⑷處表示靜態(tài)內(nèi)存的總大小，包含內(nèi)存池信息結(jié)構(gòu)體占用的大小，和各個內(nèi)存塊占用的大小。
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(nèi)聯(lián)函數(shù)。⑴處定義OS_MEMBOX_MAGIC魔術(shù)字，這個32位的魔術(shù)字的后8位維護任務(wù)編號信息，任務(wù)編號位由⑵處的宏定義。⑶處宏定義任務(wù)編號的最大值，⑷處的宏從魔術(shù)字中提取任務(wù)編號信息。
⑸處內(nèi)聯(lián)函數(shù)設(shè)置魔術(shù)字，在內(nèi)存塊節(jié)點從靜態(tài)內(nèi)存池中分配出來后，節(jié)點指針.pstNext不再指向下一個空閑內(nèi)存塊節(jié)點，而是設(shè)置為魔術(shù)字。⑹處的內(nèi)聯(lián)函數(shù)用于校驗魔術(shù)字。⑺處的宏根據(jù)內(nèi)存塊的節(jié)點地址獲取內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)地址，⑻處的宏根據(jù)內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)地址獲取內(nèi)存塊的節(jié)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))
三、靜態(tài)內(nèi)存常用操作
當用戶需要使用固定長度的內(nèi)存時，可以通過靜態(tài)內(nèi)存分配的方式獲取內(nèi)存，一旦使用完畢，通過靜態(tài)內(nèi)存釋放函數(shù)歸還所占用內(nèi)存，使之可以重復使用。
3.1、初始化靜態(tài)內(nèi)存池
我們分析下初始化靜態(tài)內(nèi)存池函數(shù)UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize)的代碼。我們先看看函數(shù)參數(shù)，VOID *pool是靜態(tài)內(nèi)存池的起始地址，UINT32 poolSize是初始化的靜態(tài)內(nèi)存池的總大小，poolSize需要小于等于*pool開始的內(nèi)存區(qū)域的大小，否則會影響后面的內(nèi)存區(qū)域。還需要大于靜態(tài)內(nèi)存的頭部大小sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)。長度UINT32 blkSize是靜態(tài)內(nèi)存池中的每個內(nèi)存塊的塊大小。
我們看下代碼，⑴處對傳入?yún)?shù)進行校驗。⑵處設(shè)置靜態(tài)內(nèi)存池中每個內(nèi)存塊的實際大小，已內(nèi)存對齊，也算上內(nèi)存塊中節(jié)點信息。⑶處計算內(nèi)存池中內(nèi)存塊的總數(shù)量，然后設(shè)置已用內(nèi)存塊數(shù)量.uwBlkCnt為0。
⑷處如果可用的內(nèi)存塊為0，返回初始化失敗。⑸處獲取內(nèi)存池中的第一個空閑內(nèi)存塊節(jié)點。⑹處把空閑內(nèi)存塊掛載在靜態(tài)內(nèi)存池信息結(jié)構(gòu)體空閑內(nèi)存塊鏈表stFreeList.pstNext上，然后執(zhí)行⑺每個空閑內(nèi)存塊依次指向下一個空閑內(nèi)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;
}
3.2、清除靜態(tài)內(nèi)存塊內(nèi)容
我們可以使用函數(shù)VOID LOS_MemboxClr(VOID *pool, VOID *box)來清除靜態(tài)內(nèi)存塊中的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，需要2個參數(shù)，VOID *pool是初始化過的靜態(tài)內(nèi)存池地址。VOID *box是需要清除內(nèi)容的靜態(tài)內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址，注意這個不是內(nèi)存塊的節(jié)點地址，每個內(nèi)存塊的節(jié)點區(qū)不能清除。下面分析下源碼。
⑴處對參數(shù)進行校驗，⑵處調(diào)用memset_s()函數(shù)把內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)寫入0。寫入的開始地址是內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址VOID *box，寫入長度是數(shù)據(jù)區(qū)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));
}
3.3、申請、釋放靜態(tài)內(nèi)存
初始化靜態(tài)內(nèi)存池后，我們可以使用函數(shù)VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pool)來申請靜態(tài)內(nèi)存，下面分析下源碼。
⑴處獲取靜態(tài)內(nèi)存池空閑內(nèi)存塊鏈表頭結(jié)點，如果鏈表不為空，執(zhí)行⑵，把下一個可用節(jié)點賦值給nodeTmp。⑶處把鏈表頭結(jié)點執(zhí)行下一個的下一個鏈表節(jié)點，然后執(zhí)行⑷把分配出來的內(nèi)存塊設(shè)置魔術(shù)字，接著把內(nèi)存池已用內(nèi)存塊數(shù)量加1。⑸處返回時調(diào)用宏OS_MEMBOX_USER_ADDR()計算出內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)域地質(zhì)。
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(nèi)存塊使用完畢，我們可以使用函數(shù)UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pool, VOID *box)來釋放靜態(tài)內(nèi)存，需要2個參數(shù)，VOID *pool是初始化過的靜態(tài)內(nèi)存池地址。VOID *box是需要釋放的靜態(tài)內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址，注意這個不是內(nèi)存塊的節(jié)點地址。下面分析下源碼。
⑴處根據(jù)待釋放的內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)區(qū)域地址獲取節(jié)點地址node，⑵對要釋放的內(nèi)存塊先進行校驗。⑶處把要釋放的內(nèi)存塊掛在內(nèi)存池空閑內(nèi)存塊鏈表上，然后執(zhí)行⑷把已用數(shù)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(shù)OsCheckBoxMem()。⑴如果內(nèi)存池的塊大小為0，返回校驗失敗。⑵處計算出要釋放的內(nèi)存快節(jié)點相對第一個內(nèi)存塊節(jié)點的偏移量offset。⑶如果偏移量除以內(nèi)存塊數(shù)量余數(shù)不為0，返回校驗失敗。⑷如果偏移量除以內(nèi)存塊數(shù)量的商大于等于內(nèi)存塊的數(shù)量，返回校驗失敗。⑸調(diào)用宏OsMemBoxCheckMagic校驗魔術(shù)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);
}
四、小結(jié)
本文帶領(lǐng)大家一起剖析了鴻蒙輕內(nèi)核的靜態(tài)內(nèi)存模塊的源代碼，包含靜態(tài)內(nèi)存的結(jié)構(gòu)體、靜態(tài)內(nèi)存池初始化、靜態(tài)內(nèi)存申請、釋放、清除內(nèi)容等。為了更容易找到鴻蒙輕內(nèi)核代碼倉，建議訪問https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m
以上就是解析鴻蒙輕內(nèi)核靜態(tài)內(nèi)存的使用的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于鴻蒙輕內(nèi)核靜態(tài)內(nèi)存的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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