Nucleus操作系统内存池模块移植的研究与应用

内存池方式的内存管理是一种可计量、高效的内存管理方式，它具有减少内存碎片、提高分配速度、防止内存泄漏等优势[1]。目前在国内基于内核的内存池大多基于Linux内核[2]。本文主要基于Nucleus操作系统内核来介绍内存池静态与动态分配在TD-LTE无线综合测试仪移植中的研究与应用，阐述了在不同分配方式中的内存池结构、分配算法以及适用环境。
1 静态方式分配内存池
静态内存池管理方式中内存池分为池(pool)和块(partition)。之所以称之为静态管理方式，是因为在使用过程中块的大小是固定的(即在创建过程中块大小是确定的)。静态内存池的整体结构如图1所示，池和块都有自己的头，池是由双向循环链表链接而成，块是由单向链表链接而成，每一块的头中还包含了自己属于哪一个池的属性。可用块的信息以单向链表的形式存储于池头中，并且可用块与已经分配的块的个数都在池头中有记录。

1.1 静态内存池的创建
池头中的主要参数包括内存池控制块指针、内存池名（只取8个字符）、起始地址、内存池总大小（字节为单位）、内存池分块大小（字节为单位）、挂起方式（先进先出或按优先级）等，图2是仿真器上运行过程中静态内存池结构体截图。
对图2中两个结构体链表参数说明如下：(1)pm_created：当前已经创建的内存池，采用双向循环链表连接，插入方式是在最后一个节点和首节点间填充；(2)pm_available_list：存储当前还可用partition的链表，结构与块的头部结构header_ptr相同（PM_OVERHEAD=8 B小块的头header_ptr：单向链表，内部有指向下一小块的指针和所属大块的控制块地址）。

在Nucleus内核中，内存池的创建主要由函数PMC_Create_Partition_Pool负责，创建流程如下：调用过程中首先进行参数合法性检测；然后在池头（控制块）中写入各个参数，创建链表；之后是一个重要的循环体，负责初始化partition链表，分配所有的partition，每个partition的大小在分配时需要在函数传入参数值的基础上加8 B，用来存储header_ptr；最后在内存池线程保护后将新的内存池插入内存池链表并计数。
1.2 静态内存池的分配
在TD-LTE无线综合测试仪中分配前由协议栈提供所需要分配的大小，这里主要是放置协议内部配置信息与层间交互原语。由于这些信息的大小固定，只是有几种不同大小的固定模式，所以很适合采用静态分配的方式来分配内存，只需要根据数据大小选择密度合适的内存池即可。移植过程中使用了不同大小的partition构建不同密度的内存池，因此，可根据申请partition的大小来判定用那种密度的内存池，以减少内部碎片的大小。这种方法可以有效避免空间浪费[3]，同时又可提高分配效率。
在Nucleus内核中静态内存池的分配主要由函数PMC_Allocate_Partition负责，其主要参数为内存池指针（指向调用的内存指针，不能为NULL，设置为可用内存地址即可）、分配大小和挂起标志位。函数中主要判断内存池指针是否合法、内存池与partition是否匹配、指向调用的内存指针是否合法、任务挂起标志位是否有效。其分配流程如图3所示。过程如下：调用内核函数TCT_System_Protect(TCT_Protect)保护内存池同步互斥通道。判断是否还有可用partition，若有，则将可用数量减1、分配数量加1并更新pm_available_list以及将指向调用内存指针赋值为当前分配的partition地址(partition地址要+8 B删去头)；若没有，则将任务挂起直至有可用Partition才恢复。最后解保护并返回。

1.3 静态内存池的释放
系统采用PMC_Deallocate_Partition函数来完成释放。流程如下：调用内核函数保护内存池同步互斥通道。判断是否有等待任务，若有，则分配给这个任务当前partition，再判断当前任务是否允许被抢占，允许就调用TCT_Control_To_System抢占当前任务、激活等待内存的任务；若没有，则等待任务，将当前partition重新接入到可用partition列表的头部。最后调用TCT_Unprotect解保护。
2 动态方式分配内存池
动态内存池也分为池和块两个部分，动态池直接由双向循环链表实现连接。内部块是动态分配的，由最小可分配空间来限制块的最小值。与静态分配不同，动态分配块也由双向循环链表来链接。创建时的初始结构为两个块，在申请时动态分割。图4是仿真器上运行过程中动态内存池与块的结构体截图。

池控制块结构中dm_memory_list与块头结构体相同，池通过dm_memory_list来完成块搜索；块头结构中dm_memory_pool与大块头结构相同，通过它来比配大块。
2.1 动态内存池的创建
初始化完成时的内存结构：初始化创建完成时内存池中有2个块，1个大小为总大小减去32 B，包含自己的头DM_OVERHEAD=16 B，设置为可以状态free=‘0x01’；1个大小为16 B，只有自己的头，没有空间，设置为不可以状态free=‘0x00’。因此，此时的可用空间为除去池的控制块外的总大小减去32 B。初始化结构如图5所示（没有将池控制块表示出来）。