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 0xa55a5a00⑵ #define OS_MEMBOX_TASKID_BITS 8⑶ #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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