西安電子科技大學嵌入式實時操作系統(tǒng)課件 第9章

第9章內(nèi)存管理9.1概述

9.2建立內(nèi)存分區(qū)——OSMemCreate()9.3分配內(nèi)存塊——OSMemGet()

9.4釋放內(nèi)存塊——OSMemPut()

9.5查詢內(nèi)存分區(qū)的狀態(tài)——OSMemQuery()習題

9.1概述

9.1.1基本原理

在內(nèi)存管理方面，ANSIC本身就提供了malloc()和free()兩個函數(shù)用于動態(tài)地分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存。但是，μC/OS-Ⅱ為什么不直接利用這兩個函數(shù)，而要另外構(gòu)建內(nèi)存管理方法呢，其主要原因在于以下兩個方面：

(1)當應(yīng)用程序反復(fù)調(diào)用malloc()和free()函數(shù)進行內(nèi)存的分配與釋放時，可能會將原來一塊很大且連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域逐漸分割成許多細小而彼此不相鄰的內(nèi)存區(qū)域，產(chǎn)生通常說的內(nèi)存碎片。當內(nèi)存碎片大量存在時，最后應(yīng)用程序可能連一塊很小的內(nèi)存也無法分配到。(2)由于內(nèi)存管理算法的原因，malloc()和free()函數(shù)的執(zhí)行時間是不確定的，因此不適合作實時操作系統(tǒng)函數(shù)應(yīng)用。

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理方法是在解決了malloc()和free()兩函數(shù)缺陷的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的。其原理如圖9.1所示，將內(nèi)存分區(qū)分塊，也就是把連續(xù)的每個大塊內(nèi)存分區(qū)，圖9.1內(nèi)存分區(qū)每個分區(qū)又分成整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊。μC/OS-Ⅱ利用這種新機制，對malloc()和free()函數(shù)進行了改進，并構(gòu)建了新的內(nèi)存管理函數(shù)，使得它們可以分配和釋放固定大小的內(nèi)存塊。這樣一來，malloc()和free()兩函數(shù)的執(zhí)行時間不確定的問題就首先得到了解決。接下來就是要解決內(nèi)存碎片的問題。如圖9.1所示，在有多個分區(qū)分塊的內(nèi)存系統(tǒng)中，分配內(nèi)存時，應(yīng)用程序可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中得到大小不同的內(nèi)存塊。當需要釋放時，特定的內(nèi)存塊再重新放回它以前所屬的內(nèi)存分區(qū)。通過這樣的內(nèi)存管理算法，內(nèi)存碎片問題就得到了解決。9.1.2內(nèi)存管理函數(shù)

如表9.1所示，μC/OS-Ⅱ提供了四種內(nèi)存管理函數(shù)，函數(shù)所屬文件是OS_MEM.C。表9.1內(nèi)存管理函數(shù)一覽表9.1.3內(nèi)存管理函數(shù)的配置常量

在使用內(nèi)存管理函數(shù)之前，必須將OS_CFG?.H文件中相應(yīng)的配置常量設(shè)置為0或1，以確定是編譯還是裁剪該函數(shù)，其配置常量如表9.2所示。表9.2內(nèi)存管理函數(shù)的配置常量一覽表9.1.4內(nèi)存控制塊

內(nèi)存控制塊(MemoryControlBlocks，MCB)是用于實現(xiàn)內(nèi)存管理、跟蹤每一個內(nèi)存分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如程序清單9.1所示，每個內(nèi)存分區(qū)都有它自己的內(nèi)存控制塊。 程序清單9.1內(nèi)存控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedefstruct{

void*OSMemAddr; /*指向內(nèi)存分區(qū)起始地址的指針。它在建立內(nèi)存分區(qū)時被初始化，

此后不能更改(見9.2節(jié)) */

void*OSMemFreeList;/*指向下一個空閑內(nèi)存控制塊或下一個空閑內(nèi)存塊的指針，具體含義

要根據(jù)該內(nèi)存分區(qū)是否已經(jīng)建立來決定(見9.2節(jié)) */INT32UOSMemBlkSize;/*內(nèi)存分區(qū)中內(nèi)存塊的大小，是用戶在建立該內(nèi)存分區(qū)時指定的*/

INT32UOSMemNBlks; /*內(nèi)存分區(qū)中總的內(nèi)存塊數(shù)量，是用戶在建立該內(nèi)存分區(qū)時指定的*/

INT32UOSMemNFree; /*內(nèi)存分區(qū)中當前可以使用的空閑內(nèi)存塊數(shù)量 */

}OS_MEM;如果要使用μC/OS-Ⅱ中的內(nèi)存管理，首先需要將OS_CFG?.H文件中的開關(guān)量OS_MEM_EN設(shè)置為1；然后還要設(shè)置OS_MAX_MEM_PART常量，其值至少是2，它決定了系統(tǒng)中的最大分區(qū)數(shù)。這樣，在啟動時μC/OS-Ⅱ就會通過OSInit()調(diào)用OSMemInit()來實現(xiàn)對內(nèi)存管理器的初始化。該初始化主要建立一個如圖9.2所示的空閑內(nèi)存控制塊鏈表，其中OSMemFreeList指針的作用是將空閑內(nèi)存控制塊鏈接成空閑內(nèi)存控制塊鏈表。圖9.2空閑內(nèi)存控制塊鏈表9.2建立內(nèi)存分區(qū)——OSMemCreate()

9.2.1函數(shù)原型

函數(shù)原型如下：

OS_MEM*OSMemCreate(void*addr,INT32Unblks,INT32Ublksize,INT8U*err)

OSMemCreate()函數(shù)用于建立并初始化一塊內(nèi)存區(qū)。要使用內(nèi)存管理函數(shù)，必先調(diào)用OSMemCreate()函數(shù)建立內(nèi)存分區(qū)。一個內(nèi)存區(qū)包含確定數(shù)量和大小的內(nèi)存塊，應(yīng)用程序可以分配這些內(nèi)存塊，并在用完后釋放回內(nèi)存區(qū)。

OSMemCreate()函數(shù)有如下四個參數(shù)：(1)?addr：建立的內(nèi)存區(qū)的起始地址。內(nèi)存區(qū)可以使用靜態(tài)數(shù)組或在初始化時使用malloc()函數(shù)建立。

(2)?nblks：內(nèi)存塊的數(shù)量。每一個內(nèi)存區(qū)最少需要定義兩個內(nèi)存塊。

(3)?blksize：每個內(nèi)存塊的大小，最少應(yīng)該能夠容納一個指針。

(4)?err：指向錯誤代碼的變量的指針。OSMemCreate()函數(shù)返回的錯誤碼可能為下述幾種之一：

①?OS_NO_ERR：內(nèi)存分區(qū)建立成功。

②?OS_MEM_INVALID_ADD：地址指針為空，非法。③?OS_MEM_INVALID_PART：沒有空閑的內(nèi)存區(qū)。

④?OS_MEM_INVALID_BLKS：沒有為每一個內(nèi)存區(qū)建立至少兩個內(nèi)存塊。

⑤?OS_MEM_INVALID_SIZE：內(nèi)存塊太小，不能容納一個指針變量。

OSMemCreate()函數(shù)返回指向內(nèi)存控制塊的指針。如果沒有空閑內(nèi)存區(qū)，則OSMemCreate()函數(shù)返回空指針。

函數(shù)的調(diào)用者是任務(wù)或者啟動代碼，開關(guān)量是OS_MEM_EN。9.2.2源代碼

OSMemCreate()函數(shù)的源代碼如程序清單9.2所示。該函數(shù)的主要工作過程如下：

(1)條件檢查，確保各種前提條件的滿足。

(2)從空閑內(nèi)存控制塊鏈表中取得一個內(nèi)存控制塊。

(3)若該空閑內(nèi)存控制塊可用，則將該內(nèi)存分區(qū)內(nèi)的所有內(nèi)存塊用指針鏈接成一個單向鏈表。因為在這個鏈表中，插入和刪除元素都是從頂端開始的，所以無需使用雙向鏈表。

(4)在內(nèi)存分區(qū)的控制塊中填寫與該內(nèi)存分區(qū)有關(guān)的內(nèi)容。

(5)最后返回該內(nèi)存控制塊指針，以后的操作都通過該指針來實現(xiàn)。 程序清單9.2OSMemCreate()函數(shù)的源代碼

OS_MEM*OSMemCreate(void*addr,INT32Unblks,INT32Ublksize,INT8U*err)

{

#ifOS_CRITICAL_METHOD=?=3

OS_CPU_SRcpu_sr;

#endif

OS_MEM *pmem;

INT8U *pblk;

void **plink;INT32U i;

#ifOS_ARG_CHK_EN>0

if(addr =?=(void*)0){ /*確保定義的內(nèi)存分區(qū)起始地址是有效的 */

*err =OS_MEM_INVALID_ADDR;

return((OS_MEM*)0);

}

if(nblks<2){ /*確保每個內(nèi)存分區(qū)至少有兩個內(nèi)存塊 */*err=OS_MEM_INVALID_BLKS;

return((OS_MEM*)0);

}

if(blksize<sizeof(void*)){ /*確保每個內(nèi)存塊至少能容納下一條指針，因為空閑內(nèi)存控制塊是由指針鏈接在一起的 */

*err=OS_MEM_INVALID_SIZE;

return((OS_MEM*)0);

}#endif

OS_ENTER_CRITICAL();

pmem=OSMemFreeList; /*從空閑內(nèi)存控制塊鏈表中取得一個空閑內(nèi)存控制塊 */

if(OSMemFreeList !=(OS_MEM*)0){ /*確保取得的空閑內(nèi)存控制塊是可用的 */

OSMemFreeList =(OS_MEM*)OSMemFreeList->OSMemFreeList; /*調(diào)整指針 */

}

OS_EXIT_CRITICAL();if(pmem==(OS_MEM*)0){ /*檢查內(nèi)存控制塊是否可用 */

*err=OS_MEM_INVALID_PART;

return((OS_MEM*)0);

}

/*滿足上述條件后，將所要建立的內(nèi)存分區(qū)內(nèi)的所有內(nèi)存塊鏈接成一個單向鏈表 */

plink=(void**)addr; /*建立單向鏈表 */

pblk=(INT8U*)addr+blksize;

for(i=0;i<(nblks-1);i++){*plink =(void*)pblk;

plink =*plink;

pblk =pblk+blksize;

}

/*在該內(nèi)存分區(qū)控制塊中填寫與內(nèi)存分區(qū)有關(guān)的信息 */

*plink =(void*)0;/*最后一條指針指向NULL */

/*在該內(nèi)存分區(qū)控制塊中填寫與內(nèi)存分區(qū)有關(guān)的信息 */pmem->OSMemAddr =addr; /*存儲內(nèi)存分區(qū)的起始地址 */

pmem->OSMemFreeList =addr; /*初始化空閑內(nèi)存塊指針 */

pmem->OSMemNFree =nblks; /*存儲內(nèi)存塊的數(shù)量 */

pmem->OSMemNBlks =nblks;

pmem->OSMemBlkSize =blksize; /*存儲每個內(nèi)存塊的尺寸 */

*err =OS_NO_ERR;

return(pmem);/*返回內(nèi)存控制塊指針，以后對該內(nèi)存分區(qū)的操作都通過這個指針來實現(xiàn)*/

}

OSMemCretae()函數(shù)運行完畢后，內(nèi)存控制塊所指向的內(nèi)存分區(qū)與分區(qū)中的內(nèi)存塊之間的關(guān)系如圖9.3所示。圖9.3OSMemCretae()函數(shù)建立的內(nèi)存分區(qū)程序一旦運行，經(jīng)過多次分配與釋放內(nèi)存塊后，同一分區(qū)內(nèi)的內(nèi)存塊的鏈接順序會有很大變化，但這并不影響使用，也不增加時間開銷。

9.2.3范例

建立一個含有50個內(nèi)存塊、每個內(nèi)存塊為16B的內(nèi)存分區(qū)，具體代碼如下：OS_MEM*MemBuf; /*定義一個內(nèi)存控制塊指針 */

INT8Ubuffer[50][16]; /*定義一個內(nèi)存分區(qū)數(shù)組 */

voidmain(void){

INT8Uerr;

OSInit();

.

MemBuf=OSMemCreate(buffer,50,16,&err);

.

OSStart();

} 9.3分配內(nèi)存塊——OSMemGet()

9.3.1函數(shù)原型

函數(shù)原型如下：

void*OSMemGet(OS_MEM*pmem，INT8U*err)

OSMemGet()函數(shù)用于從已經(jīng)建立的內(nèi)存分區(qū)中申請一個內(nèi)存塊。該函數(shù)的調(diào)用者可以是任務(wù)或者中斷，開關(guān)量是OS_MEM_EN。該函數(shù)有如下兩個參數(shù)：(1)?pmem：指向內(nèi)存控制塊的指針。其值可以在建立內(nèi)存分區(qū)時得到。

(2)?err：指向包含錯誤碼的變量的指針。返回的錯誤碼可能為下述幾種之一：

①?OS_NO_ERR：成功得到一個內(nèi)存塊。

②?OS_MEM_NO_FREE_BLKS：內(nèi)存區(qū)中已經(jīng)沒有空閑內(nèi)存塊。

③?OS_MEM_INVALID_PMEM：pmem是空指針。

函數(shù)返回指向內(nèi)存區(qū)塊的指針，如果沒有空間分配給內(nèi)存塊，函數(shù)返回空指針。9.3.2注意事項

調(diào)用OSMemGet()函數(shù)時應(yīng)注意如下事項：

(1)調(diào)用該函數(shù)申請內(nèi)存塊時，用戶必須知道所建立的內(nèi)存塊的大小，使用時不能超過容量。例如，如果一個內(nèi)存分區(qū)內(nèi)的每個內(nèi)存塊為64B，那么應(yīng)用程序最多只能使用該內(nèi)存塊中的64B。

(2)用戶程序必須在使用完內(nèi)存塊后及時釋放，并重新放回它原先屬于的分區(qū)中去。

(3)函數(shù)可以多次調(diào)用。

(4)如果暫時沒有內(nèi)存塊可用，函數(shù)不會等待，而是立即返回NULL指針，所以可在中斷中調(diào)用。9.3.3源代碼

OSMemGet()函數(shù)的源代碼如程序清單9.3所示。該函數(shù)的主要工作過程如下：

(1)確保運行條件的滿足。

(2)檢查分區(qū)是否有空閑的內(nèi)存塊，若有，則取得它，并作如下操作：因為已經(jīng)從空閑內(nèi)存塊中取走了，所以要將它從空閑內(nèi)存塊鏈表中刪除，并調(diào)整空閑內(nèi)存塊的指針，空閑內(nèi)存塊的數(shù)量也要相應(yīng)減1；若沒有空閑的內(nèi)存塊，則返回錯誤代碼。 程序清單9.3OSMemGet()函數(shù)的源代碼

void*OSMemGet(OS_MEM*pmem,INT8U*err)

{

#ifOS_CRITICAL_METHOD=?=3

OS_CPU_SRcpu_sr;

#endif

void*pblk;

#ifOS_ARG_CHK_EN>0

if(pmem=?=(OS_MEM*)0){ /*確保指針指向的內(nèi)存控制塊是有效的 */*err=OS_MEM_INVALID_PMEM;

return((OS_MEM*)0);

}

#endif

OS_ENTER_CRITICAL();

if(pmem->OSMemNFree>0){ /*檢查分區(qū)中是否有空閑的內(nèi)存塊 */

pblk=pmem->OSMemFreeList; /*如果有，則將第一個內(nèi)存塊從空閑內(nèi)存塊鏈表中刪除，因為此時要使用這個內(nèi)存控制塊*/pmem->OSMemFreeList=*(void**)pblk; /*調(diào)整空閑內(nèi)存塊鏈表指針 */

pmem->OSMemNFree--; /*空閑內(nèi)存塊數(shù)量減1 */

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_NO_ERR; /*申請成功 */

return(pblk); /*將分配到的內(nèi)存塊指針返回給應(yīng)用程序 */}

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_MEM_NO_FREE_BLKS; /*如果沒有空閑內(nèi)存塊，返回錯誤代碼 */

return((void*)0); /*返回空指針 */

}

9.3.4范例

OSMemGet()函數(shù)的使用范例如下：OS_MEM*MemBuf； /*定義一個內(nèi)存控制塊指針 */

voidTask(void*pdata){

INT8U*msg;pdata=pdata;

for(;;){

msg=OSMemGet(MemBuf,&err);

if(msg!=(INT8U*)0){

./*內(nèi)存塊已經(jīng)分配 */

}

}

} 9.4釋放內(nèi)存塊——OSMemPut()

9.4.1函數(shù)原型

函數(shù)原型如下：

INT8UOSMemPut(OS_MEM*pmem，void*pblk)

OSMemPut()函數(shù)用于釋放一個內(nèi)存塊。開關(guān)量是OS_MEM_EN，調(diào)用者是任務(wù)或者中斷。該函數(shù)有如下兩個參數(shù)：

(1)?pmem：指向內(nèi)存控制塊的指針。其值可以在調(diào)用OSMemCreate()函數(shù)建立內(nèi)存分區(qū)的時候得到。

(2)?pblk：指向?qū)⒁会尫诺膬?nèi)存塊的指針。9.4.2返回值

OSMemPut()函數(shù)的返回值為下述內(nèi)容之一：

(1)?OS_NO_ERR：內(nèi)存塊成功釋放。

(2)?OS_MEM_FULL：內(nèi)存分區(qū)已滿，不能再接收釋放的內(nèi)存塊。這種情況說明用戶程序出現(xiàn)了錯誤，釋放的內(nèi)存塊多于用OSMemGet()函數(shù)得到的內(nèi)存塊。

(3)?OS_MEM_INVALID_PMEM：pmem是空指針。

(4)?OS_MEM_INVALID_PBLK：pblk是空指針。9.4.3注意事項

調(diào)用OSMemPut()函數(shù)時應(yīng)注意如下事項：

(1)如果一個內(nèi)存塊已經(jīng)不再使用，必須及時釋放它，以備其它應(yīng)用程序使用。

(2)釋放內(nèi)存塊時，必須放回到原先申請的內(nèi)存分區(qū)中，不能錯放，否則可能導致系統(tǒng)崩潰。例如，從每個內(nèi)存塊是32B的內(nèi)存分區(qū)中申請了一個內(nèi)存塊，用完后就不能把它返回給每個內(nèi)存塊是64B的內(nèi)存分區(qū)。因為，應(yīng)用程序以后申請64B分區(qū)中的內(nèi)存塊時，可能會只得到32B的可用空間，而得不到64B的內(nèi)存塊。9.4.4源代碼

OSMemPut()函數(shù)的源代碼如程序清單9.4所示。該函數(shù)的主要工作過程如下：首先檢查內(nèi)存分區(qū)是否已滿，如果已滿，則說明系統(tǒng)在分配和釋放內(nèi)存時出現(xiàn)了錯誤；如果未滿，則將所要釋放的內(nèi)存塊插入到該分區(qū)的空閑內(nèi)存塊鏈表中。最后，將分區(qū)中空閑內(nèi)存塊總數(shù)加1。 程序清單9.4OSMemPut()函數(shù)的源代碼

INT8UOSMemPut(OS_MEM*pmem,void*pblk)

{

#ifOS_CRITICAL_METHOD=?=3

OS_CPU_SRcpu_sr;

#endif

#ifOS_ARG_CHK_EN>0

if(pmem=?=(OS_MEM*)0){ /*確保指針指向的內(nèi)存控制塊是有效的*/return(OS_MEM_INVALID_PMEM);

}

if(pblk=?=(void*)0){ /*確保釋放的內(nèi)存塊是有效的 */

return(OS_MEM_INVALID_PBLK);

}

#endif

OS_ENTER_CRITICAL();

if(pmem->OSMemNFree>=pmem->OSMemNBlks){ /*檢查內(nèi)存分區(qū)是否已滿 */OS_EXIT_CRITICAL(); /*若滿，則說明分配或者釋放內(nèi)存時出現(xiàn)了錯誤 */

return(OS_MEM_FULL);

}

/*內(nèi)存分區(qū)未滿 */

*(void**)pblk=pmem->OSMemFreeList;/*將需要釋放的內(nèi)存塊返回給空閑內(nèi)存控制塊鏈表*/pmem->OSMemFreeList=pblk; /*調(diào)整指針，將所釋放的內(nèi)存塊放在鏈表的最前面 */

pmem->OSMemNFree++; /*將分區(qū)中的空閑內(nèi)存塊總數(shù)加1 */

OS_EXIT_CRITICAL();

return(OS_NO_ERR); /*通知調(diào)用者釋放成功 */

}

9.4.5范例

OSMemPut()函數(shù)的使用范例如下：OS_MEM*MemBuf; /*定義一個內(nèi)存控制塊指針 */

INT8U*MemMsg; /*定義一個內(nèi)存塊指針 */

voidTask(void*pdata){

INT8Uerr;

pdata=pdata;

for(;;){

err=OSMemPut(MemBuf,(void*)MemMsg);if(err=?=OS_NO_ERR){

. /*處理代碼 */

}

.

}

}9.5查詢內(nèi)存分區(qū)的狀態(tài)——OSMemQuery()

9.5.1函數(shù)原型

函數(shù)原型如下：

INT8UOSMemQuery(OS_MEM*pmem,OS_MEM_DATA*pdata)

OSMemQuery()函數(shù)可以查詢特定內(nèi)存分區(qū)中的有關(guān)信息。該函數(shù)使用了一個新的OS_MEM_DATA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來復(fù)制OS_MEM結(jié)構(gòu)中的信息，并比OS_MEM多一個成員。OS_MEM_DATA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如程序清單9.5所示。函數(shù)的調(diào)用者可以是任務(wù)或者中斷，開關(guān)量是OS_MEM_EN和OS_MEM_QUERY_EN。該函數(shù)有如下兩個參數(shù)：(1)?pmem：指向內(nèi)存控制塊的指針。其值可以在調(diào)用OSMemCreate()函數(shù)時返回得到。

(2)?pdata：指向OS_MEM_DATA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。它比OS_MEM多一個成員。 程序清單9.5OS_MEM_DATA的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedefstruct{

void OSAddr; /*指向內(nèi)存分區(qū)起始地址的指針 */

void OSFreeList; /*指向空閑內(nèi)存塊列表起始地址的指針 */

INT32U OSBlkSize; /*每個內(nèi)存塊的大小 */ INT32U OSNBlks; /*內(nèi)存分區(qū)的內(nèi)存塊總數(shù) */

INT32U OSNFree; /*空閑的內(nèi)存塊數(shù)量 */

INT32U OSNUsed; /*正在使用的內(nèi)存塊數(shù)量 */

}OS_MEM_DATA;9.5.2返回值

OSMemQuery()函數(shù)的返回值為下述內(nèi)容之一：

(1)?OS_NO_ERR：調(diào)用成功。

(2)?OS_MEM_INVALID_PMEM：pmem是空指針。

(3)?OS_MEM_INVALID_PDATA：pdata是空指針。

9.5.3源代碼

OSMemQuery()函數(shù)的源代碼如程序清單9.6所示，它將指定內(nèi)存分區(qū)的信息復(fù)制到OS_MEM_DATA定義的變量中。 程序清單9.6OSMemQuery()函數(shù)的源代碼

#ifOS_MEM_QUERY_EN>0

INT8UOSMemQuery(OS_MEM*pmem,OS_MEM_DATA*ppdata)