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关于操作系统:掌握鸿蒙轻内核静态内存的使用从源码分析开始

jiezi

摘要： 动态内存本质上是一个动态数组，动态内存池内的块大小在初始化时设定，初始化后块大小不可变更。动态内存池由一个管制块和若干雷同大小的内存块形成。管制块位于内存池头部，用于内存块治理。内存块的申请和开释以块大小为粒度。

本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核 M 核源码剖析系列八 动态内存 Static Memory》，原文作者：zhushy。

内存治理模块管理系统的内存资源，它是操作系统的外围模块之一，次要包含内存的初始化、调配以及开释。

在零碎运行过程中，内存治理模块通过对内存的申请 / 开释来治理用户和 OS 对内存的应用，使内存的利用率和应用效率达到最优，同时最大限度地解决零碎的内存碎片问题。

鸿蒙轻内核的内存治理分为动态内存治理和动态内存治理，提供内存初始化、调配、开释等性能。

  • 动态内存： 在动态内存池中调配用户指定大小的内存块。
    长处：按需分配。
    毛病：内存池中可能呈现碎片。
  • 动态内存： 在动态内存池中调配用户初始化时预设（固定）大小的内存块。
    长处：调配和开释效率高，动态内存池中无碎片。
    毛病：只能申请到初始化预设大小的内存块，不能按需申请。

本文次要剖析鸿蒙轻内核动态内存（Memory Box），后续系列会持续剖析动态内存。动态内存本质上是一个动态数组，动态内存池内的块大小在初始化时设定，初始化后块大小不可变更。动态内存池由一个管制块和若干雷同大小的内存块形成。管制块位于内存池头部，用于内存块治理。内存块的申请和开释以块大小为粒度。

本文通过剖析动态内存模块的源码，帮忙读者把握动态内存的应用。本文中所波及的源码，以 OpenHarmony LiteOS- M 内核为例，均能够在开源站点 https://gitee.com/openharmony… 获取。

接下来，咱们看下动态内存的构造体，动态内存初始化，动态内存罕用操作的源代码。

1、动态内存构造体定义和罕用宏定义

1.1 动态内存构造体定义

动态内存构造体在文件 kernel\include\los_membox.h 中定义。源代码如下，⑴处定义的是动态内存节点 LOS_MEMBOX_NODE 构造体，⑵处定义的动态内存的构造体池信息结构体为 LOS_MEMBOX_INFO，，构造体成员的解释见正文局部。

⑴  typedef struct tagMEMBOX_NODE {struct tagMEMBOX_NODE *pstNext; /**< 动态内存池中闲暇节点指针，指向下一个闲暇节点 */} LOS_MEMBOX_NODE;

⑵  typedef struct LOS_MEMBOX_INFO {
        UINT32 uwBlkSize;               /**< 动态内存池中闲暇节点指针，指向下一个闲暇节点 */
        UINT32 uwBlkNum;                /**< 动态内存池的内存块总数量 */
        UINT32 uwBlkCnt;                /**< 动态内存池的已调配的内存块总数量 */
    #if (LOSCFG_PLATFORM_EXC == 1)
        struct LOS_MEMBOX_INFO *nextMemBox; /**< 指向下一个动态内存池 */
    #endif
        LOS_MEMBOX_NODE stFreeList;     /**< 动态内存池的闲暇内存块单向链表 */
    } LOS_MEMBOX_INFO;

对动态内存应用如下示意图进行阐明，对一块动态内存区域，头部是 LOS_MEMBOX_INFO 信息，接着是各个内存块，每块内存块大小是 uwBlkSize，蕴含内存块节点 LOS_MEMBOX_NODE 和内存块数据区。闲暇内存块节点指向下一块闲暇内存块节点。

1.2 动态内存罕用宏定义

动态内存头文件中还提供了一些重要的宏定义。⑴处的 LOS_MEMBOX_ALIGNED(memAddr) 用于对齐内存地址，⑵处 OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize) 依据以后节点内存地址 addr 和内存块大小 blkSize 获取下一个内存块的内存地址。⑶处 OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE 示意内存块中节拍板大小，每个内存块蕴含内存节点 LOS_MEMBOX_NODE 和寄存业务的数据区。⑷处示意动态内存的总大小，蕴含内存池信息结构体占用的大小，和各个内存块占用的大小。

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 中也定义了一些宏和内联函数。⑴处定义 OS_MEMBOX_MAGIC 魔术字，这个 32 位的魔术字的后 8 位保护工作编号信息，工作编号位由⑵处的宏定义。⑶处宏定义工作编号的最大值，⑷处的宏从魔术字中提取工作编号信息。

⑸处内联函数设置魔术字，在内存块节点从动态内存池中调配进去后，节点指针.pstNext 不再指向下一个闲暇内存块节点，而是设置为魔术字。⑹处的内联函数用于校验魔术字。⑺处的宏依据内存块的节点地址获取内存块的数据区地址，⑻处的宏依据内存块的数据区地址获取内存块的节点地址。

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))

2、动态内存罕用操作

当用户须要应用固定长度的内存时，能够通过动态内存调配的形式获取内存，一旦应用结束，通过动态内存开释函数偿还所占用内存，使之能够重复使用。

2.1 初始化动态内存池

咱们剖析下初始化动态内存池函数 UINT32 LOS_MemboxInit(VOID pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize) 的代码。咱们先看看函数参数，VOID pool 是动态内存池的起始地址，UINT32 poolSize 是初始化的动态内存池的总大小，poolSize 须要小于等于 *pool 开始的内存区域的大小，否则会影响前面的内存区域。还须要大于动态内存的头部大小 sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)。长度 UINT32 blkSize 是动态内存池中的每个内存块的块大小。

咱们看下代码，⑴处对传入参数进行校验。⑵处设置动态内存池中每个内存块的理论大小，已内存对齐，也算上内存块中节点信息。⑶处计算内存池中内存块的总数量，而后设置已用内存块数量.uwBlkCnt 为 0。
⑷处如果可用的内存块为 0，返回初始化失败。⑸处获取内存池中的第一个闲暇内存块节点。⑹处把闲暇内存块挂载在动态内存池信息结构体闲暇内存块链表 stFreeList.pstNext 上，而后执行⑺每个闲暇内存块顺次指向下一个闲暇内存块，链接起来。

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;
}

2.2 革除动态内存块内容

咱们能够应用函数 VOID LOS_MemboxClr(VOID pool, VOID box) 来革除动态内存块中的数据区内容，须要 2 个参数，VOID pool 是初始化过的动态内存池地址。VOID box 是须要革除内容的动态内存块的数据区的起始地址，留神这个不是内存块的节点地址，每个内存块的节点区不能革除。上面剖析下源码。

⑴处对参数进行校验，⑵处调用 memset_s() 函数把内存块的数据区写入 0。写入的开始地址是内存块的数据区的起始地址 VOID *box，写入长度是数据区的长度 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));
}

2.3 申请、开释动态内存

初始化动态内存池后，咱们能够应用函数 VOID LOS_MemboxAlloc(VOID pool) 来申请动态内存，上面剖析下源码。

⑴处获取动态内存池闲暇内存块链表头结点，如果链表不为空，执行⑵，把下一个可用节点赋值给 nodeTmp。⑶处把链表头结点执行下一个的下一个链表节点，而后执行⑷把调配进去的内存块设置魔术字，接着把内存池已用内存块数量加 1。⑸处返回时调用宏 OS_MEMBOX_USER_ADDR() 计算出内存块的数据区域地质。

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);
}

对申请的内存块应用结束，咱们能够应用函数 UINT32 LOS_MemboxFree(VOID pool, VOID box) 来开释动态内存，须要 2 个参数，VOID pool 是初始化过的动态内存池地址。VOID box 是须要开释的动态内存块的数据区的起始地址，留神这个不是内存块的节点地址。上面剖析下源码。

⑴处依据待开释的内存块的数据区域地址获取节点地址 node，⑵对要开释的内存块先进行校验。⑶处把要开释的内存块挂在内存池闲暇内存块链表上，而后执行⑷把已用数量减 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;
}

接下来，咱们再看看校验函数 OsCheckBoxMem()。⑴如果内存池的块大小为 0，返回校验失败。⑵处计算出要开释的内存快节点绝对第一个内存块节点的偏移量 offset。⑶如果偏移量除以内存块数量余数不为 0，返回校验失败。⑷如果偏移量除以内存块数量的商大于等于内存块的数量，返回校验失败。⑸调用宏 OsMemBoxCheckMagic 校验魔术字。

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);
}

小结

本文率领大家一起分析了鸿蒙轻内核的动态内存模块的源代码，蕴含动态内存的构造体、动态内存池初始化、动态内存申请、开释、革除内容等。后续也会陆续推出更多的分享文章，敬请期待，也欢送大家分享学习、应用鸿蒙轻内核的心得，有任何问题、倡议，都能够留言给咱们：https://gitee.com/openharmony…。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓，倡议拜访 https://gitee.com/openharmony…，关注 Watch、点赞 Star、并 Fork 到本人账户下，谢谢。

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