实时系统中动静结合的内存管理实现

1. 实时系统内存分配
     实时系统分为硬实时系统和软实时系统。硬实时系统是指系统中各任务不仅要执行无误而且要做到准时；软实时系统是指系统中各任务运行的越快越好，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。
     可以看出动态内存分配是绝对不能用于硬实时系统的，因为动态分配具有时间不确定性（分配时间与内存块数量有关），而且动态分配可能产生分配不成功的情况。 所以对于硬实时系统，只能采用静态内存分配方式。静态分配是指在编译或链接时将程序所需的内存空间分配好，这样不会出现分配失败的情况。
     其实对于大多数实时系统而言，内存分配都是采用两种方式的结合，即动静结合的分配方式。

2. 动静结合内存分配的一种实现
     对于整个内存，把它分为4个部分，即中断向量区、系统映射区、系统内存区和用户内存区。如图1所示。
     其中中断向量表和系统映射区在编译时已经设定好，即采用静态分区的方式。剩下的两个部分可以按用户要求配置。
2.1 系统内存区分区
     对于整个系统内存区，还需要要进行分区操作，使它产生多个分区，每个分区中内存块的大小相等，各个分区之间内存块大小不等。这样来满足多种内存申请需求。
2.1.1 系统分区类结构定义
     系统建立了一个内存块结构，它由一个指向下一个内存块的指针构成，因为系统使用单向链表来管理空闲内存块，所以必须用每个内存块的这个指针来让所有的空闲内存块连成一个链表。                                 

 图1 内存划分示意图
结构如下:
struct memblock
{
 void * next;
};
     对于内存分区，采用面向对象的方式，这样减少了全局变量的使用，同时提高了可操作性。系统建立了内存分区类结构。它包含了该分区的信号量、内存区的起始地址、内存块大小、内存块数量、空闲内存块数量、空闲内存块链表和链表尾部等。类结构定义如下：
class mempartition
{
private:
 semphore s;          //控制该内存分区的信号量
public:
 long *start;         //块起始位置
 void *freeulist;     //空闲内存块链表 
 void *tail;          //空闲内存块链表尾部 
 int unitsize;        //内存块大小
 short unitnum;       //内存块数量
 short freeunum;      //空闲内存块数量
 mempartition();      //初始化链表、信号量
 void *GetUnit();        //获取内存块
 void PutUnit(void *);   //释放内存块
};
     因为每个内存分区都是多任务共享的，每次只能有一个任务或中断服务程序进入该内存分区，所以需要设置信号量来管理它，当然也可以采用关中断的方式，关中断可能导致中断响应延迟等问题，所以没有采用这种方式。
2.1.2 系统分区的实现
     通过Partition_Create()函数创建一个内存分区，函数定义为
int Partition_Create(mempartition *mp,unsigned int unum,unsigned int usize);
    mp为创建的内存分区，unum为该分区中内存块数量，usize为内存块大小。函数流程图如图2所示。
     对于块内存的申请，采用c语言提供的malloc函数从内存中申请。这对于程序设计者而言提供了极大的方便，对于系统分区不适合嵌入式应用（该实时系统 设计应用于嵌入式设备中）需求的情况下，可以删除该分区另外再建立。不过这样做的情况应该尽可能少，因为多次调用malloc/free会产生较多的内存 碎片。在做设计时，应该尽可能预先设定好分区数量和各个分区中内存块的数量和大小，尽管系统提供了重建分区的功能。
     每个块内存的第一部分存储该分区对象，其后才是各个内存块。在内存块空闲时，其内部存储了下一个节点的的指针。分配以后，该信息丢失，直接分配给申请者， 这样省掉了存储每个内存块信息额外的RAM开销。内存释放时，直接加到该分区空闲内存链表的尾部，同时设定下一个节点内存块信息为NULL。这样在多次分 配与释放后，内存块的位置会发生比较大的变化。
     系统设置了一个全局链表 mempartion **partition_list 来存储所有的内存分区指针，该链表的长度可以动态定义。也就是说分区的数量可以动态定义。链表中的分区需要进行排序，排序的标准是每个分区中内存块的大 小，内存块小的分区排在前面，内存块大的排在后面。因为分区采用首次适配的算法，排序以后可以减少内存浪费。
     同时，系统提供了Mem_Alloc/Mem_Free两个函数来支持系统分区的申请和释放。申请的算法很简单，采用首次适配方法从分区链表中找到合适 内存分区，如果该区空闲内存链表不为空，则返回该链表 第一个内存块地址，否则查看下一个分区。如果找不到合适的内存块，则返回空指针。
     释放算法稍微复杂一些，它需要先检查该内存块属于哪个分区。这样做非常必要，如果把一个小块放到大块的内存分区中，一个任务申请了该空间，则该空间的一 部分将跨越到另一个内存块，对该内存块的操作可能覆盖另一个内存块的数据。如果把一个大块放到了小块的分区中，则在分配的时候将分配了多余的空间，造成了 内存空间的浪费。找到所属分区后，直接把该块放到该区空闲内存链表的尾部。 

图2创建内存分区流程图

     上述系统分区的方式其实是小范围动态分区上实现的静态方式。因为每个内存块大小是固定的，这样不可避免地要浪费一部分空间。对于这个问题的解决，系统还提供了一种纯动态的解决办法，就是调用malloc/free函数来申请内存块。
2.1.3 内存用户区的动态内存分配
     从内存划分图中可以看到有一块用户内存区，这是一块内核不会使用的内存区。该区留给用户使用，对于这块区域的申请和释放不调用系统提供的 Mem_Alloc/Mem_Free函数，而是直接调用c语言提供的malloc/free函数。malloc具有不确定性，因为它的执行时间和空闲内 存块的数量有关，而且多次使用malloc/free调用和释放内存块，可能产生大量的内存碎片。所以这种方式的调用要谨慎。由于用户内存区大小是可配置 的，所以用户可以控制该区大小以减少碎片产生的问题。同时对于系统调用，例如任务堆栈分配，不会因为碎片太多而导致分配失败的问题。

3. 小结
     动静结合的方式给用户提供了比较大的自由度，用户可以从系统分区中申请内存块，也可以从用户内存区申请内存块。这样增加了系统的灵活性，同时也限制了大量碎片产生的可能（在不频繁删除建立系统内存分区的前提下）。也增加了部分c代码的可移植性。

4. 参考文献
曾非一、桑 楠、熊光泽，嵌入式系统内存管理方案研究。
Jean J.Labrosse 著，邵贝贝 译，μC/OS-Ⅱ源码公开的实时嵌入式操作系统，中国电力出版社，2001。
William Stallings著，魏迎梅等译，操作系统——内核与设计原理，电子工业出版社，2001。

摘要：提出了实时系统中内存管理的一种实现方法。该方法采用动静结合的方式，给用户提供了比较大的自由度，同时也提高了系统的灵活性。本文主要从实现方面进行了详细阐述。
关键字： 实时系统  内存管理  面向对象

作者:杨雷 吴珏 陈汶滨   更新日期:2006-10-22