兩種常見的內(nèi)存管理方法：堆和內(nèi)存池

本文導(dǎo)讀

在程序運行過程中，可能產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)，例如，串口接收的數(shù)據(jù)，ADC采集的數(shù)據(jù)。若需將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，以便進一步運算、處理，則應(yīng)為其分配合適的內(nèi)存空間，數(shù)據(jù)處理完畢后，再釋放相應(yīng)的內(nèi)存空間。為了便于內(nèi)存的分配和釋放，AWorks提供了兩種內(nèi)存管理工具：堆和內(nèi)存池。

本文為《面向AWorks框架和接口的編程（上）》第三部分軟件篇——第9章內(nèi)存管理——第1~2小節(jié)：堆管理器和內(nèi)存池。

本章導(dǎo)讀

在計算機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)一般存放在內(nèi)存中，只有當(dāng)數(shù)據(jù)需要參與運算時，才從內(nèi)存中取出，交由CPU運算，運算結(jié)束再將結(jié)果存回內(nèi)存中。這就需要系統(tǒng)為各類數(shù)據(jù)分配合適的內(nèi)存空間。

一些數(shù)據(jù)需要的內(nèi)存大小在編譯前可以確定。主要有兩類：一類是全局變量或靜態(tài)變量，這部分數(shù)據(jù)在程序的整個生命周期均有效，在編譯時就為這些數(shù)據(jù)分配了固定的內(nèi)存空間，后續(xù)直接使用即可，無需額外的管理；一類是局部變量，這部分數(shù)據(jù)僅在當(dāng)前作用域中有效（如函數(shù)中），它們需要的內(nèi)存自動從棧中分配，也無需額外的管理，但需要注意的是，由于這一部分數(shù)據(jù)的內(nèi)存從棧中分配，因此，需要確保應(yīng)用程序有足夠的?？臻g，盡量避免定義內(nèi)存占用較大的局部變量（比如：一個占用數(shù)K內(nèi)存的數(shù)組），以避免棧溢出，棧溢出可能破壞系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，極有可能造成系統(tǒng)***。

一些數(shù)據(jù)需要的內(nèi)存大小需要在程序運行過程中根據(jù)實際情況確定，并不能在編譯前確定。例如，可能臨時需要1K內(nèi)存空間用于存儲遠端通過串口發(fā)過來的數(shù)據(jù)。這就要求系統(tǒng)具有對內(nèi)存空間進行動態(tài)管理的能力，在用戶需要一段內(nèi)存空間時，向系統(tǒng)申請，系統(tǒng)選擇一段合適的內(nèi)存空間分配給用戶，用戶使用完畢后，再釋放回系統(tǒng)，以便系統(tǒng)將該段內(nèi)存空間回收再利用。在AWorks中，提供了兩種常見的內(nèi)存管理方法：堆和內(nèi)存池。

9.1 堆管理器

堆管理器用于管理一段連續(xù)的內(nèi)存空間，可以在滿足系統(tǒng)資源的情況下，根據(jù)用戶的需求分配任意大小的內(nèi)存塊，完全“按需分配”，當(dāng)用戶不再使用分配的內(nèi)存塊時，又可以將內(nèi)存塊釋放回堆中供其它應(yīng)用分配使用。類似于C標準庫中的malloc()/free()函數(shù)實現(xiàn)的功能。

9.1.1 堆管理器的原理概述

在使用堆管理器前，首先通過一個示例對其原理作簡要的介紹，以便用戶更加有效的使用堆管理器。例如，使用堆管理器對1024字節(jié)的內(nèi)存空間進行管理。初始時，所有內(nèi)存均處于空閑狀態(tài)，可以將整個內(nèi)存空間看作一個大的空閑內(nèi)存塊。示意圖詳見圖9.1。

圖9.1 初始狀態(tài)——單個空閑內(nèi)存塊

內(nèi)存分配的策略是：當(dāng)用戶申請一定大小的內(nèi)存空間時，堆管理器會從第一個空閑內(nèi)存塊開始查找，直到找到一個滿足用戶需求的空閑內(nèi)存塊（即容量不小于用戶請求的內(nèi)存空間大小），然后從該空閑內(nèi)存塊中分配出用戶指定大小的內(nèi)存空間。

例如，用戶向該堆管理器申請100字節(jié)的內(nèi)存空間，由于第一個空閑內(nèi)存塊的容量為1024，滿足需求，因此，可以從中分配100字節(jié)的內(nèi)存空間給該用戶，分配后的內(nèi)存示意圖詳見圖9.2。

圖9.2 分配100字節(jié)——分割為兩個內(nèi)存塊

注：填充為陰影表示該塊已被分配，否則，表示該塊未被分配，處于空閑狀態(tài)，數(shù)字表示該塊的容量。

同理，若用戶再向該堆管理器連續(xù)請求三次內(nèi)存空間，每次請求的內(nèi)存空間容量分別為：150、250、200字節(jié)，則分配后的內(nèi)存示意圖詳見圖9.3。

圖9.3 再分配100、300、200字節(jié)內(nèi)存空間——分割為五個內(nèi)存塊

隨著分配的繼續(xù)，內(nèi)存塊可能越來越多。若用戶的請求無法滿足，則會分配失敗，如果在圖9.3的基礎(chǔ)上，用戶再請求400字節(jié)內(nèi)存空間，由于僅有的一個空閑塊，且容量為324字節(jié)，無法滿足需求，此時，分配會失敗，用戶無法得到一段有效的內(nèi)存空間。

當(dāng)用戶申請的某一段內(nèi)存不再使用時，應(yīng)該將該內(nèi)存塊釋放回堆中，以便回收再利用。

回收的策略是：當(dāng)用戶將某一內(nèi)存塊釋放回堆中時，首先，將該內(nèi)存塊變?yōu)榭臻e塊，若該內(nèi)存塊相鄰的內(nèi)存塊也為空閑塊，則將它們合并為一個大的空閑內(nèi)存塊。

例如，在圖9.3的基礎(chǔ)上，釋放之前分配的250字節(jié)內(nèi)存空間，則首先將該內(nèi)存塊變?yōu)榭臻e塊，示意圖詳見圖9.4。

圖9.4 釋放一個內(nèi)存塊——相鄰塊不為空閑塊

由于該內(nèi)存塊前后均不為空閑塊，因此，無需作合并操作。此時，釋放了250字節(jié)的空閑空間，堆***存在574字節(jié)的內(nèi)存空間。但是，若用戶此時向該堆管理器申請400字節(jié)的內(nèi)存空間，由于第一個空閑塊和第二個空閑塊均不滿足需求，因此，內(nèi)存分配還是會失敗。

這里暴露出了一個堆管理器的缺點。頻繁的分配和釋放大小不一的內(nèi)存塊，將產(chǎn)生諸多內(nèi)存碎片，即圖9.4中被已分配內(nèi)存塊打斷的空閑內(nèi)存塊，圖中容量為250字節(jié)和容量為324字節(jié)的空閑內(nèi)存塊被一個已分配的容量為200字節(jié)的內(nèi)存塊打斷，使得各個空閑塊在物理上不連續(xù)，無法形成一個大的空閑塊。這種情況下，即使請求的內(nèi)存空間大小小于當(dāng)前堆的空閑空間總大小，也可能會由于沒有一個大的空閑塊而分配失敗。

在圖9.4的基礎(chǔ)上，即使再釋放掉第一次分配的100字節(jié)內(nèi)存空間，使總空閑空間達到674字節(jié)，詳見圖9.5，同樣無法滿足一個400字節(jié)內(nèi)存空間的分配請求。

圖9.5 釋放容量為100字節(jié)內(nèi)存塊

隨著系統(tǒng)中大量內(nèi)存塊的分配和回收，內(nèi)存碎片將越來越多，一些長時間不被釋放的內(nèi)存塊，將始終分割著一些空閑內(nèi)存塊，造成內(nèi)存碎片。這也告知用戶，當(dāng)不再使用某一內(nèi)存塊時，應(yīng)盡快釋放掉該內(nèi)存塊，以避免造成過多的內(nèi)存碎片。

在圖9.5中，有3個空閑塊，若用戶在此基礎(chǔ)上再請求一個280字節(jié)的內(nèi)存空間，根據(jù)分配策略，堆管理器首先查看第一個空閑塊，其容量為100字節(jié)，無法滿足需求，接著查看第二個空閑塊，其容量為250字節(jié)，同樣無法滿足需求，接著查看第三個空閑塊，其容量為324字節(jié)，最終從該塊中分配一段空間給用戶，分配后的內(nèi)存示意圖詳見圖9.6。

圖9.6 再分配280字節(jié)內(nèi)存空間

在圖9.6的基礎(chǔ)上，若用戶再釋放200字節(jié)的內(nèi)存塊，首先，將其變?yōu)榭臻e塊，示意圖詳見圖9.7。

圖9.7 釋放200字節(jié)的內(nèi)存空間（1）——標記為空閑

由于其左側(cè)大小為250的內(nèi)存塊同樣為空閑塊，因此，需要將它們合并為一個大的內(nèi)存塊，即合并為一個大小為450的內(nèi)存塊，示意圖詳見圖9.8。

圖9.8 釋放200字節(jié)的內(nèi)存空間（2）——與相鄰空閑塊合并

此時，由于存在一個大小為450的空閑塊，因此，若此時用戶申請400字節(jié)的內(nèi)存空間，則可以申請成功。與圖9.5對比可知，雖然圖9.5共計有674字節(jié)的空閑空間，而圖9.8只有594字節(jié)的空閑空間，但圖9.8卻可以滿足一個大小為400字節(jié)的內(nèi)存空間請求。由此可見，受內(nèi)存碎片的影響，總的空閑空間大小并不能決定一個內(nèi)存請求的成功與否。

申請400字節(jié)成功后的示意圖詳見圖9.9。

圖9.9 再分配400字節(jié)內(nèi)存空間

在圖9.9的基礎(chǔ)上，若用戶再釋放280字節(jié)的內(nèi)存塊，同樣，首先將其變?yōu)榭臻e塊，示意圖詳見圖9.10。

圖9.10 釋放280字節(jié)的內(nèi)存空間（1）——標記為空閑

由于其左右兩側(cè)均為空閑塊，因此，需要將它們合并為一個大的內(nèi)存塊，即合并為一個大小為374的內(nèi)存塊，示意圖詳見圖9.11。

圖9.11 釋放280字節(jié)的內(nèi)存空間（2）——與相鄰空閑塊合并

之所以要將相鄰的空閑內(nèi)存塊合并，主要是為了避免內(nèi)存塊越來越多，越來越零散，如此下去，將很難再有一個大的空閑塊，用戶后續(xù)再申請大的內(nèi)存空閑時，將無法滿足需求。

通過上面一系列內(nèi)存分配和釋放的示例，展示了堆管理器分配和釋放內(nèi)存的策略，使得用戶對相關(guān)的原理有了一定的了解。

實際上，在堆管理器的軟件實現(xiàn)中，為了便于管理，各個內(nèi)存塊是以鏈表的形式組織起來的，每個內(nèi)存塊的首部會固定存放一些用于內(nèi)存塊管理的相關(guān)信息，示意圖詳見圖9.12。

圖9.12 內(nèi)存塊（含空閑內(nèi)存塊和已分配內(nèi)存塊）鏈表

圖中展示了4個非常重要的信息：magic、used、p_next、p_prev。

magic被稱為魔數(shù)，會被賦值為一個特殊的固定值，它表示了該內(nèi)存塊是堆管理器管理的內(nèi)存塊，可以在一定程度上檢查錯誤的內(nèi)存操作。例如，若這個區(qū)域被改寫，magic的值被修改為了其它值，表明存在非法的內(nèi)存操作，可能是用戶內(nèi)存操作越界等，應(yīng)及時處理；在釋放一個內(nèi)存塊時，堆管理器會檢查magic的值，若其值不為特殊的固定值，表明這并不是堆管理器分配的內(nèi)存塊，該釋放操作是非法的。

used用于表示該內(nèi)存塊是否已經(jīng)被使用。若其值為0，則表示該內(nèi)存塊是空閑塊；若其值為1，則表示該內(nèi)存塊已經(jīng)被分配，不是空閑塊。

p_next和p_prev用于將各個內(nèi)存塊使用雙向鏈表的形式組織起來，以便可以方便的找到當(dāng)前內(nèi)存塊的下一個或上一個內(nèi)存塊，例如，在釋放一個內(nèi)存塊時，需要查看相鄰的內(nèi)存塊（上一個內(nèi)存塊和下一個內(nèi)存塊）是否為空閑塊，以決定是否將它們合并為一個空閑塊。

此外，為了在分配內(nèi)存塊時，加快搜索空閑塊的效率，信息中還會額外另外兩個指針，用于將所有空閑塊單獨組織為一個雙向鏈表。這樣，在分配一個內(nèi)存塊時，只需要在空閑鏈表中查找滿足需求的空閑塊即可，無需依次遍歷所有的內(nèi)存塊。示意圖詳見圖9.13。

圖9.13 空間塊鏈表

對于用戶來講，其獲得的內(nèi)存空間為用戶數(shù)據(jù)空間（獲得的是直接指向用戶數(shù)據(jù)空間的指針），存放在內(nèi)存塊首部的信息對用戶是不可見的，用戶不應(yīng)該嘗試訪問、修改這些信息。

需要用戶注意的是，由于內(nèi)存塊的相關(guān)信息需要占用一定的內(nèi)存空間（在32位系統(tǒng)中，通常為24字節(jié)），因此，每個內(nèi)存塊占用的實際大小會大于用戶請求的內(nèi)存空間大小，例如，用戶請求一個100字節(jié)的內(nèi)存空間，實際中，為了存儲內(nèi)存塊的相關(guān)信息，會分配一個大小為124字節(jié)的內(nèi)存塊?；诖?，用戶實際可以使用的內(nèi)存空間要略小于堆的總空間。

9.1.2 堆管理器接口

AWorks提供了堆管理器，用戶通過相關(guān)接口使用即可。相關(guān)函數(shù)的原型詳見表9.1。

表9.1 堆管理器接口（aw_memheap.h）

1. 定義堆管理器實例

在使用堆管理器前，必須先使用aw_memheap_t類型定義堆管理器實例，該類型在aw_memheap.h中定義，具體類型的定義用戶無需關(guān)心，僅需使用該類型定義堆管理器實例即可，即：

其地址即可作為初始化接口中memheap參數(shù)的實參傳遞。

在AWorks中，一個堆管理器用于管理一段連續(xù)的內(nèi)存空間，一個系統(tǒng)中，可以使用多個堆管理器分別管理多段連續(xù)的內(nèi)存空間。這就需要定義多個堆管理器實例，例如：

如此一來，各個應(yīng)用可以定義自己的堆管理器，以管理該應(yīng)用中的內(nèi)存分配與釋放，使得各個應(yīng)用之間的內(nèi)存使用互不影響。

如果所有應(yīng)用使用一個堆，那么各個應(yīng)用之間的內(nèi)存分配將相互影響，某一應(yīng)用出現(xiàn)內(nèi)存泄漏，隨著時間的推移，極有可能造成一個堆的空間被完全泄漏，這將影響所有應(yīng)用程序。同時，所有應(yīng)用共用一個堆，也造成在一個堆中的分配與釋放更加頻繁，分配的內(nèi)存塊大小更加不一致，更容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

2. 初始化堆管理器

定義堆管理器實例后，必須使用該接口初始化后才能使用，以指定其管理的內(nèi)存空間，其函數(shù)原型為：

其中，memheap為指向堆管理器實例的指針；name為堆管理器的名字，名字為一個字符串，僅用作標識；start_addr指定了其管理的內(nèi)存空間首地址；size指定了其管理的內(nèi)存空間大?。ㄗ止?jié)數(shù)）。

函數(shù)的返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時，表示初始化成功；否則，表示初始化失敗。

初始化函數(shù)的核心在于指定其管理的內(nèi)存空間，通常情況下，這段連續(xù)的內(nèi)存空間可以通過定義一個全局的數(shù)組變量獲得，其大小與實際應(yīng)用相關(guān)，應(yīng)根據(jù)實際情況決定。例如，使用堆管理器管理1KB的內(nèi)存空間，則初始化堆管理器的范例程序詳見程序清單9.1。

程序清單9.1 初始化堆管理器范例程序

程序中，定義了一個大小為1024字節(jié)的數(shù)組，用于分配一個1KB的內(nèi)存空間，以便使用堆管理器進行管理。

3. 分配內(nèi)存

堆管理器初始化完畢后，可以使用該接口為用戶分配指定大小的內(nèi)存塊，內(nèi)存塊的大小可以是滿足資源需求的任意大小。分配內(nèi)存塊的函數(shù)原型為：

其中，heap為指向堆管理器的指針；size為內(nèi)存塊大小。返回值為分配內(nèi)存塊的首地址，特別地，若返回值為NULL，則表明分配失敗。

在分配內(nèi)存塊時，由于堆管理器并不知道分配的內(nèi)存塊用來存儲何種類型的數(shù)據(jù)，因此，返回值為通用的無類型指針，即void *類型，代表其指向了某一類型不確定的地址。顯然，分配的內(nèi)存塊用以存儲何種類型的數(shù)據(jù)是由用戶決定的，因此，用戶在使用這段內(nèi)存空間時，必須將其轉(zhuǎn)換為實際數(shù)據(jù)類型的指針。

例如，分配用以存儲100個無符號8位數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊，其范例程序詳見程序清單9.2。

程序清單9.2 分配內(nèi)存塊的范例程序

程序中，將aw_memheap_alloc()的返回值強制轉(zhuǎn)換為了指向uint8_t數(shù)據(jù)類型的指針。注意，使用aw_memheap_alloc()分配的內(nèi)存中，數(shù)據(jù)的初始值是隨機的，不一定為0。因此，若不對ptr指向的內(nèi)存賦值，則其值可能是任意的。

4. 重新調(diào)整內(nèi)存大小

有時候，需要動態(tài)調(diào)整之前分配的內(nèi)存塊大小，如果一開始分配了一個較小的內(nèi)存塊，但隨著數(shù)據(jù)的增加，內(nèi)存不夠，此時，就可以使用該函數(shù)重新調(diào)整之前分配的內(nèi)存塊大小。其函數(shù)原型為：

其中，heap為指向堆管理器的指針；ptr為使用aw_memheap_alloc()函數(shù)分配的內(nèi)存塊首地址，即調(diào)用aw_memheap_alloc()函數(shù)的返回值；new_size為調(diào)整后的內(nèi)存塊大小。返回值為調(diào)整大小后的內(nèi)存空間首地址，特別地，若返回值為NULL，則表明調(diào)整大小失敗。

newsize指定的新的大小可以比原內(nèi)存塊大（擴大），也可以比原內(nèi)存塊?。s小）。如果是擴大內(nèi)存塊，則新擴展部分的內(nèi)存不會被初始化，值是隨機的，但原內(nèi)存塊中的數(shù)據(jù)仍然保持不變。如果是縮小內(nèi)存塊，則超出new_size部分的內(nèi)存會被釋放，其中的數(shù)據(jù)被丟棄，其余數(shù)據(jù)保持不變。特別地，若newsize的值為0，則相當(dāng)于不再使用ptr指向的內(nèi)存塊，此時，將會直接釋放整個內(nèi)存塊，這種情況下，返回值同樣為NULL。

函數(shù)返回值與ptr的值可能不同，即系統(tǒng)可能重新選擇一塊合適的內(nèi)存塊來滿足調(diào)整大小的需求，此時，內(nèi)存首地址將發(fā)生變化。例如，當(dāng)新的大小比原空間大時，系統(tǒng)先判斷原內(nèi)存塊后是否還有足夠的連續(xù)空間滿足本次擴大內(nèi)存的要求，如果有，則直接擴大內(nèi)存空間，內(nèi)存首地址不變，同樣返回原內(nèi)存塊的首地址，即ptr的值；如果沒有，則重新按照newsize分配一個內(nèi)存塊，并將原有數(shù)據(jù)原封不動的拷貝到新分配的內(nèi)存塊中，而后自動釋放原有的內(nèi)存塊，原內(nèi)存塊將不再可用，此時，返回值將是重新分配的內(nèi)存塊首地址，與ptr將無直接關(guān)系。

例如，首先使用aw_memheap_alloc()分配了一個100字節(jié)大小的內(nèi)存塊，然后重新將其調(diào)整為200字節(jié)大小的內(nèi)存塊。范例程序詳見程序清單9.3。

程序清單9.3 重新調(diào)整內(nèi)存大小

值得注意的是，重新調(diào)整內(nèi)存空間的大小失敗后，原內(nèi)存空間還是有效的。因此，若采用程序清單9.3第9行的調(diào)用形式，若內(nèi)存擴大失敗，則返回值為NULL，這將會導(dǎo)致ptr的值被設(shè)置為NULL。此時，雖然原內(nèi)存空間仍然有效，但由于指向該內(nèi)存空間的指針信息丟失了，用戶無法再訪問到對應(yīng)的內(nèi)存空間，也無法釋放對應(yīng)的內(nèi)存空間，造成內(nèi)存泄漏。

在實際使用時，為了避免調(diào)整內(nèi)存大小失敗時將原ptr的值覆蓋為NULL，應(yīng)該使用一個新的指針保存函數(shù)的返回值，詳見程序清單9.4。

程序清單9.4 重新調(diào)整內(nèi)存大?。ㄊ褂眯碌闹羔槺４婧瘮?shù)返回值）

此時，即使擴大內(nèi)存空間失敗，指向原內(nèi)存空間的指針ptr依然有效，依舊可以使用原先分配的內(nèi)存空間，避免了內(nèi)存泄漏。擴大內(nèi)存空間成功時，則直接將ptr的值重新賦值為new_ptr，使其指向擴展完成后的內(nèi)存空間。

5. 釋放內(nèi)存

當(dāng)用戶不再使用申請的內(nèi)存塊時，必須釋放，否則將造成內(nèi)存泄漏。釋放內(nèi)存的函數(shù)原型為：

其中，ptr為使用aw_memheap_alloc()或aw_memheap_realloc()函數(shù)分配的內(nèi)存塊首地址，即調(diào)用這些函數(shù)的返回值。注意，ptr只能是上述幾個函數(shù)的返回值，不能是其它地址值，例如，不能將數(shù)組首地址作為函數(shù)參數(shù)，以釋放靜態(tài)數(shù)組占用的內(nèi)存空間。傳入錯誤的地址值，極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)***。

當(dāng)使用aw_memheap_free()將內(nèi)存塊釋放后，相應(yīng)的內(nèi)存塊將變?yōu)闊o效，用戶不能再繼續(xù)使用。釋放內(nèi)存塊的范例程序詳見程序清單9.5。

程序清單9.5 釋放內(nèi)存塊的范例程序

為了避免釋放內(nèi)存塊后再繼續(xù)使用，可以養(yǎng)成一個良好的習(xí)慣，每當(dāng)內(nèi)存釋放后，都將相應(yīng)的ptr指針賦值為NULL。

9.1.3 系統(tǒng)堆管理

在AWorks中，整個內(nèi)存空間首先用于滿足存放一些已知占用內(nèi)存空間大小的數(shù)據(jù)，比如：全局變量、靜態(tài)變量、?？臻g、程序代碼或常量等。

全局變量和靜態(tài)變量都比較好理解，其占用的內(nèi)存大小通過數(shù)據(jù)的類型即可確定。需要注意的是，在介紹堆管理器時，定義一塊待管理的內(nèi)存空間同樣使用了靜態(tài)數(shù)組的方式，詳見程序清單9.1的第6行：

這也屬于一種靜態(tài)變量，其占用的內(nèi)存大小是已知的。

對于?？臻g，在AWorks中，?？臻g是靜態(tài)分配的，類似于一個靜態(tài)數(shù)組，其占用的內(nèi)存空間大小由用戶決定，同樣是已知的。

通常情況下，程序代碼和常量都存儲在ROM或FLASH等只讀存儲器中，不會放在內(nèi)存中。但在部分平臺中，出于效率或芯片架構(gòu)的考慮，也可能將程序代碼和常量存儲在內(nèi)存中。例如，在i.MX28x平臺中，程序代碼和常量也存儲在DDR內(nèi)存中。程序代碼和常量占用的內(nèi)存空間大小在編譯后即可確定，占用的內(nèi)存空間大小也是已知的。

在滿足這些數(shù)據(jù)的存儲后，剩下的所有內(nèi)存空間即作為系統(tǒng)堆空間，便于用戶在程序運行過程中動態(tài)使用。

為了便于用戶使用，需要使用某種合適的方法管理系統(tǒng)堆空間。在AWorks中，默認使用前文介紹的堆管理器對其進行管理。出于系統(tǒng)的可擴展性考慮，AWorks并沒有限制必須基于AWorks提供的堆管理器管理系統(tǒng)堆空間，如果用戶有更加適合特殊應(yīng)用場合的管理方法，也可以在特定環(huán)境下使用自有方法管理系統(tǒng)堆空間。為了保持應(yīng)用程序的統(tǒng)一，AWorks定義了一套動態(tài)內(nèi)存管理通用接口，便于用戶使用系統(tǒng)堆空間，而無需關(guān)心具體的管理方法。相關(guān)函數(shù)原型詳見表9.2。

表9.2 動態(tài)內(nèi)存管理接口（aw_mem.h）

通過前文的介紹可知，在使用堆管理器前，需要定義堆管理器實例，然后初始化該實例，以指定其管理的內(nèi)存空間，初始化完成后，用戶才可向其請求內(nèi)存。若是使用堆管理器管理系統(tǒng)堆空間（默認），那么，表9.2中的接口均可基于堆管理器接口實現(xiàn)。此時，系統(tǒng)中將定義一個默認的堆管理器實例，并在系統(tǒng)啟動時自動完成其初始化操作，指定其管理的內(nèi)存空間為系統(tǒng)堆空間。如此一來，系統(tǒng)啟動后，用戶可以直接向系統(tǒng)中默認的堆管理器申請內(nèi)存塊。例如，aw_mem_alloc()用于分配一個內(nèi)存塊，其直接基于堆管理器實現(xiàn)，范例程序詳見程序清單9.6。

程序清單9.6 aw_mem_alloc()函數(shù)實現(xiàn)范例

其中，__g_system_heap為系統(tǒng)定義的堆管理器實例，已在系統(tǒng)啟動時完成了初始化。程序清單9.6只是aw_mem_alloc()函數(shù)實現(xiàn)的一個簡單范例，實際中，用戶可以根據(jù)具體情況，使用最為合適的方法管理系統(tǒng)堆空間，實現(xiàn)AWorks定義的動態(tài)內(nèi)存管理通用接口。

下面，詳細介紹各個接口的含義及使用方法。

1. 分配內(nèi)存

aw_mem_alloc()用于從系統(tǒng)堆中分配指定大小的內(nèi)存塊，用法和C標準庫中的malloc()相同，其函數(shù)原型為：

參數(shù)size指定內(nèi)存空間的大小，單位為字節(jié)。返回值為void *類型的指針，其指向分配內(nèi)存塊的首地址，特別地，若返回值為NULL，則表示分配失敗。

例如，申請用以存儲一個int類型數(shù)據(jù)的存儲空間，范例程序詳見程序清單9.7。

程序清單9.7 申請內(nèi)存范例程序

程序中，將aw_mem_alloc()的返回值強制轉(zhuǎn)換為了指向int數(shù)據(jù)類型的指針。注意，使用aw_mem_alloc()分配的內(nèi)存中，數(shù)據(jù)的初始值是隨機的，不一定為0。因此，若不對ptr指向的內(nèi)存賦值，則其值將是任意的。

2. 分配多個指定大小的內(nèi)存塊

除使用aw_mem_alloc()直接分配一個指定大小的內(nèi)存塊外，還可以使用aw_mem_calloc()分配多個連續(xù)的內(nèi)存塊，用法與C標準庫中的calloc()相同，其函數(shù)原型為：

該函數(shù)用于分配nelem個大小為size的內(nèi)存塊，分配的內(nèi)存空間總大小為：nelem×size，實際上相當(dāng)于分配一個容量為nelem×size的大內(nèi)存塊，返回值同樣為分配內(nèi)存塊的首地址。與aw_mem_alloc()不同的是，該函數(shù)分配的內(nèi)存塊會被初始化為0。例如，分配用以存儲10個int類型數(shù)據(jù)的內(nèi)存，則范例程序詳見程序清單9.8。

程序清單9.8 分配10個用于存儲int類型數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊

由于分配的內(nèi)存空間會被初始化為0，因此，即使不對ptr指向的內(nèi)存賦值，其值也是確定的0。

3. 分配具有一定對齊要求的內(nèi)存塊

有時候，用戶申請的內(nèi)存塊可能用來存儲具有特殊對齊要求的數(shù)據(jù)，要求分配內(nèi)存塊的首地址必須按照指定的字節(jié)數(shù)對齊。此時，可以使用aw_mem_align()分配一個滿足指定對齊要求的內(nèi)存塊。其函數(shù)原型為：

其中，size為分配的內(nèi)存塊大小，align表示對齊要求，其值是2的整數(shù)次冪，比如：2、4、8、16、32、64等。返回值同樣為分配內(nèi)存塊的首地址，其值滿足對齊要求，是align的整數(shù)倍。如align的值為16，則按照16字節(jié)對齊，分配內(nèi)存塊的首地址將是16的整數(shù)倍，地址的低4位全為0。程序范例詳見程序清單9.9。

程序清單9.9 分配具有一定對齊要求的內(nèi)存塊范例程序

程序中，將分配的地址通過aw_kprintf()打印輸出，以查看地址的具體值，實際運行可以發(fā)現(xiàn)，地址值是滿足16字節(jié)對齊的。注意，該函數(shù)與aw_mem_alloc()分配的內(nèi)存塊一樣，其中的數(shù)據(jù)初始值是隨機的，不一定為0。

在堆管理器中，并沒有類似的分配滿足一定對齊要求的內(nèi)存塊接口，只有普通的分配內(nèi)存塊接口：aw_memheap_alloc()。其分配的內(nèi)存塊，可能是對齊的，也可能是未對齊的。為了使返回給用戶的內(nèi)存塊能夠滿足對齊要求，在使用aw_memheap_alloc()分配內(nèi)存塊時，可以多分配align - 1字節(jié)的空間，此時，即使獲得的內(nèi)存塊首地址不滿足對齊要求，也可以返回從內(nèi)存塊首地址開始，順序第一個對齊的地址給用戶，以滿足用戶的對齊需求。

例如，要分配200字節(jié)的內(nèi)存塊，并要求滿足8字節(jié)對齊，則首先使用aw_memheap_alloc()分配207字節(jié)（200 + 8 - 1）的內(nèi)存塊，假定得到的內(nèi)存塊地址范圍為：3 ~ 209，示意圖詳見圖9.14(a)。由于首地址3不是8的整數(shù)倍，因此其不是按8字節(jié)對齊的，此時，直接返回順序第一個對齊的地址給用戶，即：8。由于用戶需要的是200字節(jié)的內(nèi)存塊，因此，對于用戶來講，其使用的內(nèi)存塊地址范圍為 ：8 ~ 207，顯然，其在實際使用aw_memheap_alloc()獲得的內(nèi)存塊地址范圍內(nèi)，用戶獲得的內(nèi)存塊是完全有效的，示意圖詳見圖9.14(b)。

圖9.14 內(nèi)存對齊的處理——多分配align-1字節(jié)的空間

為什么要多分配align - 1字節(jié)的空間呢？在獲得的實際內(nèi)存塊不滿足對齊需求時，表明內(nèi)存塊首地址不是align的整數(shù)倍，即其對align取余數(shù)的結(jié)果（C語言的%運算符）不為0，假定其對align取余數(shù)的結(jié)果為N（N ≥1），則只要將首地址加上align-N，得到的地址值就是align的整數(shù)倍。該值也為從首地址開始，順序第一個對齊的地址。由于在首地址不對齊時，必然有：N ≥1，因此：align - N ≤ align – 1，即順序第一個對齊的地址相對于起始地址的偏移不會超過align - 1?；诖?，只要在分配內(nèi)存塊時多分配align-1字節(jié)的空間，那么就可以在向用戶返回一個對齊地址的同時，依舊滿足用戶請求的內(nèi)存塊容量需求。

若不多分配align-1字節(jié)的內(nèi)存空間，例如，只使用aw_memheap_alloc()分配200字節(jié)的內(nèi)存塊，得到的內(nèi)存塊地址范圍為：3 ~ 203，示意圖詳見圖9.15(a)。此時，若同樣返回順序第一個對齊的地址給用戶，即：8。由于用戶需要的是200字節(jié)的內(nèi)存塊，因此，對于用戶來講，其使用的內(nèi)存塊地址范圍為 ：8 ~ 208，顯然，204 ~ 208 這段空間并不是通過分配得到的有效內(nèi)存，使得用戶得到了一段非法的內(nèi)存空間，一旦訪問，極有可能導(dǎo)致應(yīng)用出錯。示意圖詳見圖9.15 (b)。

圖9.15 內(nèi)存對齊的處理——未多分配align-1字節(jié)的空間

實際中，由于align - 1的值往往是一些比較特殊的奇數(shù)值，例如：3、7、15、31等，經(jīng)常如此分配容易把內(nèi)存塊的首地址打亂，出現(xiàn)很多非對齊的地址。因此，往往會直接多分配align字節(jié)的內(nèi)存空間。

同時，出于效率考慮，在AWorks中，每次分配的內(nèi)存往往都按照默認的CPU自然對齊字節(jié)數(shù)對齊，例如，在32位系統(tǒng)中，默認分配的所有內(nèi)存都按照4字節(jié)對齊，基于此，aw_mem_alloc()函數(shù)的實現(xiàn)可以更新為如程序清單9.10所示的程序。

程序清單9.10 aw_mem_alloc()函數(shù)分配的內(nèi)存按照4字節(jié)對齊

4. 重新調(diào)整內(nèi)存大小

有時候，需要動態(tài)調(diào)整分配內(nèi)存塊的大小，如果一開始分配了一個較小的內(nèi)存塊，但隨著數(shù)據(jù)的增加，內(nèi)存不夠，此時，則可以使用該函數(shù)重新調(diào)整之前分配的內(nèi)存塊大小。其函數(shù)原型為：

其中，ptr為使用aw_mem_alloc()、aw_mem_calloc()或aw_mem_align()函數(shù)分配的內(nèi)存塊首地址，即調(diào)用這些函數(shù)的返回值。new_size為調(diào)整后的大小。返回值為調(diào)整大小后的內(nèi)存塊首地址，特別地，若調(diào)整大小失敗，則返回值為NULL。

例如，首先使用aw_mem_alloc()分配了存儲1個int類型數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊，然后重新調(diào)整內(nèi)存塊的大小，使其可以存儲2個int類型的數(shù)據(jù)。范例程序詳見程序清單9.11。

程序清單9.11 內(nèi)存分配范例程序（重新調(diào)整內(nèi)存大?。?/p>

5. 釋放內(nèi)存

前面講解了4種分配內(nèi)存塊的方法，無論使用何種方式動態(tài)分配的內(nèi)存塊，在使用結(jié)束后，都必須釋放，否則將造成內(nèi)存泄漏。釋放內(nèi)存塊的函數(shù)原型為：

其中，ptr為使用aw_mem_alloc()、aw_mem_calloc()、aw_mem_align()或aw_mem_realloc()函數(shù)分配的內(nèi)存塊首地址，即調(diào)用這些函數(shù)的返回值。

當(dāng)使用aw_mem_free()將內(nèi)存塊釋放后，相應(yīng)的地址空間將變?yōu)闊o效，用戶不能再繼續(xù)使用。釋放內(nèi)存塊的范例程序詳見程序清單9.12。

程序清單9.12 釋放內(nèi)存塊的范例程序

9.2 內(nèi)存池

堆管理器極為靈活，可以分配任意大小的內(nèi)存塊，非常方便。但其也存在明顯的缺點：一是分配效率不高，在每次分配時，都要依次查找所有空閑內(nèi)存塊，直到找到一個滿足需求的空閑內(nèi)存塊；二是容易產(chǎn)生大小各異的內(nèi)存碎片。

為了提高內(nèi)存分配的效率，以及避免內(nèi)存碎片，AWorks提供了另外一種內(nèi)存管理方法：內(nèi)存池（Memory Pool）。其舍棄了堆管理器中可以分配任意大小的內(nèi)存塊這一優(yōu)點，將每次分配的內(nèi)存塊大小設(shè)定為固定值。

由于每次分配的內(nèi)存塊大小為固定值，沒有空間大小的限制，因此，在用戶每次申請內(nèi)存塊時，分配其第一個空閑內(nèi)存塊即可，無需任何查找過程，同理，在釋放一個內(nèi)存塊時，也僅需將其標志為空閑即可，無需任何額外的合并操作，這極大的提高了內(nèi)存分配和釋放的效率。

同時，由于每次申請和釋放的內(nèi)存塊都是同樣的大小，只要存在空閑塊，就可以分配成功，某幾個空閑內(nèi)存塊不可能由于被某一已分配的內(nèi)存塊分割而導(dǎo)致無法使用。這種情況下，任一空閑塊都可以被沒有限制的分配使用，不再存在任何內(nèi)存碎片，徹底避免了內(nèi)存碎片。

但是，將內(nèi)存塊大小固定，會限制其使用的靈活性，并可能造成不必要的內(nèi)存空間浪費，例如，用戶只需要很小的一塊內(nèi)存空間，但若內(nèi)存池中每一塊內(nèi)存都很大，這就會使內(nèi)存分配時不得不分配出一塊很大的內(nèi)存，造成了內(nèi)存浪費。這就要求在定義內(nèi)存池時，應(yīng)盡可能將內(nèi)存池中內(nèi)存塊的大小定義為一個合理的值，避免過多的內(nèi)存浪費。

系統(tǒng)中可以存在多個內(nèi)存池，每個內(nèi)存池包含固定個數(shù)和大小的內(nèi)存塊?；诖?，在實際應(yīng)用中，為了滿足不同大小的內(nèi)存塊需求，可以定義多種尺寸（內(nèi)存池中內(nèi)存塊的大?。┑膬?nèi)存池（比如：小、中、大三種），然后在實際應(yīng)用中根據(jù)實際用量選擇從合適的內(nèi)存池中分配內(nèi)存塊，這樣可以在一定程度上減少內(nèi)存的浪費。

9.2.1 內(nèi)存池原理概述

內(nèi)存池用于管理一段連續(xù)的內(nèi)存空間，由于各個內(nèi)存塊的大小固定，因此，首先將內(nèi)存空間分為若干個大小相同的內(nèi)存塊，例如，管理1024字節(jié)的內(nèi)存空間，每塊大小為128字節(jié)。則共計可以分為8個內(nèi)存塊。初始時，所有內(nèi)存塊均為空閑塊，示意圖詳見圖9.16。

圖9.16 初始狀態(tài)——8個空閑塊

在AWorks中，為便于管理，將各個空閑內(nèi)存塊使用單向鏈表的形式組織起來，示意圖詳見圖9.17。

圖9.17 以單向鏈表的形式組織各個空閑塊

這就要求一個空閑塊能夠存放一個p_next指針，以便組織鏈表。在32位系統(tǒng)中，指針的大小為4個字節(jié)，因此，要求各個空閑塊的大小不能低于4個字節(jié)。此外，出于對齊考慮，各個空閑塊的大小必須為自然對齊字節(jié)數(shù)的正整數(shù)倍。例如，在32位系統(tǒng)中，塊大小應(yīng)該為4字節(jié)的整數(shù)倍，比如：4、8、12、6……而不能為5、7、9、13等。

基于此，當(dāng)需要分配一個內(nèi)存塊時，只需從鏈表中的取出第一個空閑塊即可。例如，需要在圖9.17的基礎(chǔ)上分配一個內(nèi)存塊，可以直接從鏈表中取出第一個空閑塊，示意圖詳見圖9.18。

圖9.18 從鏈表中取出一個內(nèi)存塊

此時，空閑塊鏈表中，將只剩下7個空閑塊，示意圖詳見圖9.19。

圖9.19 剩余7個空閑塊

值得注意的是，雖然在空閑塊鏈表中，各個內(nèi)存塊中存放了一個p_next指針，占用了一定的內(nèi)存空間，但是，當(dāng)該內(nèi)存塊從空閑鏈表中取出，分配給用戶使用時，已分配的內(nèi)存塊并不需要組織為一個鏈表，p_next的值也就沒有任何意義了，因此，用戶可以使用內(nèi)存塊中所有的內(nèi)存，不存在用戶不可訪問的區(qū)域，不會造成額外的空間浪費。

而在堆管理器中，無論是空閑塊還是已分配的內(nèi)存塊，頭部存儲的相關(guān)信息都必須保持有效，其占用的內(nèi)存空間用戶是不能使用的，對于用戶來講，這相當(dāng)于造成了一定的內(nèi)存空間浪費。

當(dāng)用戶不再使用一個內(nèi)存塊時，需要釋放相應(yīng)的內(nèi)存塊，釋放時，直接將內(nèi)存塊重新加入空閑塊鏈表即可。示意圖詳見圖9.20。

圖9.20 釋放一個內(nèi)存塊

釋放后，空閑鏈表中將新增一個內(nèi)存塊，示意圖詳見圖9.21。

圖9.21 釋放后，新增一個內(nèi)存塊

由此可見，整個內(nèi)存池的分配和釋放操作都非常簡單。分配時，從空閑鏈表中取出一個內(nèi)存塊，釋放時，將內(nèi)存塊重新加入空閑鏈表中。

9.2.2 內(nèi)存池接口

AWorks提供了內(nèi)存池軟件庫，用戶通過相關(guān)接口使用即可。相關(guān)函數(shù)的原型詳見表9.3。

表9.3 內(nèi)存池接口（aw_pool.h）

1. 定義內(nèi)存池實例

在使用內(nèi)存池前，必須先使用aw_pool_t類型定義內(nèi)存池實例，該類型在aw_pool.h中定義，具體類型的定義用戶無需關(guān)心，僅需使用該類型定義內(nèi)存池實例即可，即：

其地址即可作為初始化接口中p_pool參數(shù)的實參傳遞。

一個內(nèi)存池可以管理一段連續(xù)的內(nèi)存空間，在AWorks中，可以使用多個內(nèi)存池，以分別管理多段連續(xù)的內(nèi)存空間。此時，就需要定義多個內(nèi)存池實例，例如：

為了滿足各種大小的內(nèi)存塊需求，可以定義多個具有不同內(nèi)存塊大小的內(nèi)存池。例如：定義小、中、大三種尺寸的內(nèi)存池，它們對應(yīng)的內(nèi)存塊大小分別為8、64、128。用戶根據(jù)實際用量選擇從合適的內(nèi)存池中分配內(nèi)存塊，以在一定程度上減少內(nèi)存的浪費。

2. 初始化內(nèi)存池

定義內(nèi)存池實例后，必須使用該接口初始化后才能使用，以指定內(nèi)存池管理的內(nèi)存空間，以及內(nèi)存池中各個內(nèi)存塊的大小。其函數(shù)原型為：

其中，p_pool指向待初始化的內(nèi)存池，即使用aw_pool_t類型定義的內(nèi)存池實例；p_pool_mem為該內(nèi)存池管理的實際內(nèi)存空間首地址；pool_size指定整個內(nèi)存空間的大小；item_size指定內(nèi)存池中每個內(nèi)存塊的大小。

函數(shù)的返回值為內(nèi)存池ID，其類型aw_pool_id_t，該類型的具體定義用戶無需關(guān)心，該ID可作為其它功能接口的參數(shù)，用以表示需要操作的內(nèi)存池。特別地，若返回ID的值為NULL，表明初始化失敗。

初始化時，系統(tǒng)會將pool_size大小的內(nèi)存空間，分為多個大小為item_size的內(nèi)存塊進行管理。例如，使用內(nèi)存池管理1KB的內(nèi)存空間，每個內(nèi)存塊的大小為16字節(jié)，初始化范例程序詳見程序清單9.13。

程序清單9.13 初始化內(nèi)存池

程序中，將1024字節(jié)的空間分成了大小為16字節(jié)的內(nèi)存塊進行管理。注意，出于效率考慮，塊大小并不能是任意值，只能為自然對齊字節(jié)數(shù)的正整數(shù)倍。例如，在32位系統(tǒng)中，塊大小應(yīng)該為4字節(jié)的整數(shù)倍，若不滿足該條件，初始化時，將會自動向上修正為4字節(jié)的整數(shù)倍，例如，塊大小的值設(shè)置為5，將被自動修正為8。用戶可以通過aw_pool_item_size ()函數(shù)獲得實際的內(nèi)存塊大小。

3. 獲取內(nèi)存池中實際的塊大小

前面提到，初始化時，為了保證內(nèi)存池的管理效率，可能會對用戶傳入的塊大小進行適當(dāng)?shù)男拚?，用戶可以通過該函數(shù)獲取當(dāng)前內(nèi)存池中實際的塊大小。其函數(shù)原型為：

其中，pool_id為初始化函數(shù)返回的內(nèi)存池ID，其用于指定要獲取信息的內(nèi)存池。返回值即為內(nèi)存池中實際的塊大小。

例如，初始化時，將內(nèi)存池的塊大小設(shè)定為5，然后通過該函數(shù)獲取內(nèi)存池中實際的塊大小。范例程序詳見程序清單9.14。

程序清單9.14 獲取內(nèi)存池中實際的塊大小

運行程序可以發(fā)現(xiàn)，實際內(nèi)存塊的大小為8。

實際應(yīng)用中，為了滿足不同容量內(nèi)存申請的需求，可以定義多個內(nèi)存池，每個內(nèi)存池定義不同的塊大小。如定義3種塊大小尺寸的內(nèi)存池，分別為8字節(jié)（?。?4字節(jié)（中）、128字節(jié)（大）。范例程序詳見程序清單9.15。

程序清單9.15 定義多種不同塊大小的內(nèi)存池

程序中，將三種類型內(nèi)存池的總?cè)萘糠謩e定義為了512、1024、2048。實際中，應(yīng)根據(jù)情況定義，例如，小型內(nèi)存塊需求量很大，則應(yīng)該增大對應(yīng)內(nèi)存池的總?cè)萘俊?/p>

4. 獲取內(nèi)存塊

內(nèi)存池初始化完畢后，用戶可以從內(nèi)存池中獲取固定大小內(nèi)存塊，其函數(shù)原型為：

其中，pool_id為初始化函數(shù)返回的內(nèi)存池ID，其用于指定內(nèi)存池，表示從該內(nèi)存池中獲取內(nèi)存塊。返回值為void *類型的指針，其指向獲取內(nèi)存塊的首地址，特別地，若返回值為NULL，則表明獲取失敗。從內(nèi)存池中獲取一個內(nèi)存塊的范例程序詳見程序清單9.16。

程序清單9.16 獲取內(nèi)存塊范例程序

5. 釋放內(nèi)存塊

當(dāng)獲取的內(nèi)存塊使用完畢后，應(yīng)該釋放該內(nèi)存塊，將其返還到內(nèi)存池中。其函數(shù)原型為：

其中，pool_id為初始化函數(shù)返回的內(nèi)存池ID，其用于指定內(nèi)存池，表示將內(nèi)存塊釋放到該內(nèi)存池中。p_item為使用aw_pool_item_get()函數(shù)獲取內(nèi)存塊的首地址，即調(diào)用aw_pool_item_get()函數(shù)的返回值，表示要釋放的內(nèi)存塊。

返回值為aw_err_t類型的標準錯誤號，若值為AW_OK，表示釋放成功，否則，表示釋放失敗，釋放失敗往往是由于參數(shù)錯誤造成的，例如，釋放一個不是由aw_pool_item_get()函數(shù)獲取的內(nèi)存塊。注意，內(nèi)存塊從哪個內(nèi)存池中獲取，釋放時，就必須釋放到相應(yīng)的內(nèi)存池中，不可將內(nèi)存塊釋放到其它不對應(yīng)的內(nèi)存池中。

當(dāng)使用aw_pool_item_return()將內(nèi)存塊釋放后，相應(yīng)的內(nèi)存空間將變?yōu)闊o效，用戶不能再繼續(xù)使用。釋放內(nèi)存塊的范例程序詳見程序清單9.17。

程序清單9.17 釋放內(nèi)存塊范例程序