两种常见的内存管理方法：堆和内存池

在程序运行过程中，可能产生一些数据，例如，串口接收的数据，ADC采集的数据。若需将数据存储在内存中，以便进一步运算、处理，则应为其分配合适的内存空间，数据处理完毕后，再释放相应的内存空间。为了便于内存的分配和释放，AWorks提供了两种内存管理工具：堆和内存池。

本文为《面向AWorks框架和接口的编程（上）》第三部分软件篇——第9章内存管理——第1~2小节：堆管理器和内存池。

本章导读

在计算机系统中，数据一般存放在内存中，只有当数据需要参与运算时，才从内存中取出，交由CPU运算，运算结束再将结果存回内存中。这就需要系统为各类数据分配合适的内存空间。

一些数据需要的内存大小在编译前可以确定。主要有两类：一类是全局变量或静态变量，这部分数据在程序的整个生命周期均有效，在编译时就为这些数据分配了固定的内存空间，后续直接使用即可，无需额外的管理；一类是局部变量，这部分数据仅在当前作用域中有效（如函数中），它们需要的内存自动从栈中分配，也无需额外的管理，但需要注意的是，由于这一部分数据的内存从栈中分配，因此，需要确保应用程序有足够的栈空间，尽量避免定义内存占用较大的局部变量（比如：一个占用数K内存的数组），以避免栈溢出，栈溢出可能破坏系统关键数据，极有可能造成系统崩溃。

一些数据需要的内存大小需要在程序运行过程中根据实际情况确定，并不能在编译前确定。例如，可能临时需要1K内存空间用于存储远端通过串口发过来的数据。这就要求系统具有对内存空间进行动态管理的能力，在用户需要一段内存空间时，向系统申请，系统选择一段合适的内存空间分配给用户，用户使用完毕后，再释放回系统，以便系统将该段内存空间回收再利用。在AWorks中，提供了两种常见的内存管理方法：堆和内存池。

9.1  堆管理器

堆管理器用于管理一段连续的内存空间，可以在满足系统资源的情况下，根据用户的需求分配任意大小的内存块，完全“按需分配”，当用户不再使用分配的内存块时，又可以将内存块释放回堆中供其它应用分配使用。类似于C标准库中的malloc()/free()函数实现的功能。

9.1.1  堆管理器的原理概述

在使用堆管理器前，首先通过一个示例对其原理作简要的介绍，以便用户更加有效的使用堆管理器。例如，使用堆管理器对1024字节的内存空间进行管理。初始时，所有内存均处于空闲状态，可以将整个内存空间看作一个大的空闲内存块。示意图详见图9.1。

图9.2 分配100字节——分割为两个内存块

注：填充为阴影表示该块已被分配，否则，表示该块未被分配，处于空闲状态，数字表示该块的容量。

同理，若用户再向该堆管理器连续请求三次内存空间，每次请求的内存空间容量分别为：150、250、200字节，则分配后的内存示意图详见图9.3。

图9.4 释放一个内存块——相邻块不为空闲块

由于该内存块前后均不为空闲块，因此，无需作合并操作。此时，释放了250字节的空闲空间，堆中共存在574字节的内存空间。但是，若用户此时向该堆管理器申请400字节的内存空间，由于第一个空闲块和第二个空闲块均不满足需求，因此，内存分配还是会失败。

这里暴露出了一个堆管理器的缺点。频繁的分配和释放大小不一的内存块，将产生诸多内存碎片，即图9.4中被已分配内存块打断的空闲内存块，图中容量为250字节和容量为324字节的空闲内存块被一个已分配的容量为200字节的内存块打断，使得各个空闲块在物理上不连续，无法形成一个大的空闲块。这种情况下，即使请求的内存空间大小小于当前堆的空闲空间总大小，也可能会由于没有一个大的空闲块而分配失败。

在图9.4的基础上，即使再释放掉第一次分配的100字节内存空间，使总空闲空间达到674字节，详见图9.5，同样无法满足一个400字节内存空间的分配请求。

图9.6 再分配280字节内存空间

在图9.6的基础上，若用户再释放200字节的内存块，首先，将其变为空闲块，示意图详见图9.7。

图9.8 释放200字节的内存空间（2）——与相邻空闲块合并

此时，由于存在一个大小为450的空闲块，因此，若此时用户申请400字节的内存空间，则可以申请成功。与图9.5对比可知，虽然图9.5共计有674字节的空闲空间，而图9.8只有594字节的空闲空间，但图9.8却可以满足一个大小为400字节的内存空间请求。由此可见，受内存碎片的影响，总的空闲空间大小并不能决定一个内存请求的成功与否。

申请400字节成功后的示意图详见图9.9。

图9.10 释放280字节的内存空间（1）——标记为空闲

由于其左右两侧均为空闲块，因此，需要将它们合并为一个大的内存块，即合并为一个大小为374的内存块，示意图详见图9.11。

图9.12 内存块（含空闲内存块和已分配内存块）链表

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

magic被称为魔数，会被赋值为一个特殊的固定值，它表示了该内存块是堆管理器管理的内存块，可以在一定程度上检查错误的内存操作。例如，若这个区域被改写，magic的值被修改为了其它值，表明存在非法的内存操作，可能是用户内存操作越界等，应及时处理；在释放一个内存块时，堆管理器会检查magic的值，若其值不为特殊的固定值，表明这并不是堆管理器分配的内存块，该释放操作是非法的。

used用于表示该内存块是否已经被使用。若其值为0，则表示该内存块是空闲块；若其值为1，则表示该内存块已经被分配，不是空闲块。

p_next和p_prev用于将各个内存块使用双向链表的形式组织起来，以便可以方便的找到当前内存块的下一个或上一个内存块，例如，在释放一个内存块时，需要查看相邻的内存块（上一个内存块和下一个内存块）是否为空闲块，以决定是否将它们合并为一个空闲块。

此外，为了在分配内存块时，加快搜索空闲块的效率，信息中还会额外另外两个指针，用于将所有空闲块单独组织为一个双向链表。这样，在分配一个内存块时，只需要在空闲链表中查找满足需求的空闲块即可，无需依次遍历所有的内存块。示意图详见图9.13。

1.  定义堆管理器实例

在使用堆管理器前，必须先使用aw_memheap_t类型定义堆管理器实例，该类型在aw_memheap.h中定义，具体类型的定义用户无需关心，仅需使用该类型定义堆管理器实例即可，即：

如此一来，各个应用可以定义自己的堆管理器，以管理该应用中的内存分配与释放，使得各个应用之间的内存使用互不影响。

如果所有应用使用一个堆，那么各个应用之间的内存分配将相互影响，某一应用出现内存泄漏，随着时间的推移，极有可能造成一个堆的空间被完全泄漏，这将影响所有应用程序。同时，所有应用共用一个堆，也造成在一个堆中的分配与释放更加频繁，分配的内存块大小更加不一致，更容易产生内存碎片。

2.  初始化堆管理器

定义堆管理器实例后，必须使用该接口初始化后才能使用，以指定其管理的内存空间，其函数原型为：

程序中，定义了一个大小为1024字节的数组，用于分配一个1KB的内存空间，以便使用堆管理器进行管理。

3.  分配内存

堆管理器初始化完毕后，可以使用该接口为用户分配指定大小的内存块，内存块的大小可以是满足资源需求的任意大小。分配内存块的函数原型为：

程序中，将aw_memheap_alloc()的返回值强制转换为了指向uint8_t数据类型的指针。注意，使用aw_memheap_alloc()分配的内存中，数据的初始值是随机的，不一定为0。因此，若不对ptr指向的内存赋值，则其值可能是任意的。

4.  重新调整内存大小

有时候，需要动态调整之前分配的内存块大小，如果一开始分配了一个较小的内存块，但随着数据的增加，内存不够，此时，就可以使用该函数重新调整之前分配的内存块大小。其函数原型为：

值得注意的是，重新调整内存空间的大小失败后，原内存空间还是有效的。因此，若采用程序清单9.3第9行的调用形式，若内存扩大失败，则返回值为NULL，这将会导致ptr的值被设置为NULL。此时，虽然原内存空间仍然有效，但由于指向该内存空间的指针信息丢失了，用户无法再访问到对应的内存空间，也无法释放对应的内存空间，造成内存泄漏。

在实际使用时，为了避免调整内存大小失败时将原ptr的值覆盖为NULL，应该使用一个新的指针保存函数的返回值，详见程序清单9.4。

程序清单9.4 重新调整内存大小（使用新的指针保存函数返回值）

其中，ptr为使用aw_memheap_alloc()或aw_memheap_realloc()函数分配的内存块首地址，即调用这些函数的返回值。注意，ptr只能是上述几个函数的返回值，不能是其它地址值，例如，不能将数组首地址作为函数参数，以释放静态数组占用的内存空间。传入错误的地址值，极有可能导致系统崩溃。

当使用aw_memheap_free()将内存块释放后，相应的内存块将变为无效，用户不能再继续使用。释放内存块的范例程序详见程序清单9.5。

程序清单9.5 释放内存块的范例程序

这也属于一种静态变量，其占用的内存大小是已知的。

对于栈空间，在AWorks中，栈空间是静态分配的，类似于一个静态数组，其占用的内存空间大小由用户决定，同样是已知的。

通常情况下，程序代码和常量都存储在ROM或FLASH等只读存储器中，不会放在内存中。但在部分平台中，出于效率或芯片架构的考虑，也可能将程序代码和常量存储在内存中。例如，在i.MX28x平台中，程序代码和常量也存储在DDR内存中。程序代码和常量占用的内存空间大小在编译后即可确定，占用的内存空间大小也是已知的。

在满足这些数据的存储后，剩下的所有内存空间即作为系统堆空间，便于用户在程序运行过程中动态使用。

为了便于用户使用，需要使用某种合适的方法管理系统堆空间。在AWorks中，默认使用前文介绍的堆管理器对其进行管理。出于系统的可扩展性考虑，AWorks并没有限制必须基于AWorks提供的堆管理器管理系统堆空间，如果用户有更加适合特殊应用场合的管理方法，也可以在特定环境下使用自有方法管理系统堆空间。为了保持应用程序的统一，AWorks定义了一套动态内存管理通用接口，便于用户使用系统堆空间，而无需关心具体的管理方法。相关函数原型详见表9.2。

表9.2 动态内存管理接口（aw_mem.h）

其中，__g_system_heap为系统定义的堆管理器实例，已在系统启动时完成了初始化。程序清单9.6只是aw_mem_alloc()函数实现的一个简单范例，实际中，用户可以根据具体情况，使用最为合适的方法管理系统堆空间，实现AWorks定义的动态内存管理通用接口。

下面，详细介绍各个接口的含义及使用方法。

1.  分配内存

aw_mem_alloc()用于从系统堆中分配指定大小的内存块，用法和C标准库中的malloc()相同，其函数原型为：

程序中，将aw_mem_alloc()的返回值强制转换为了指向int数据类型的指针。注意，使用aw_mem_alloc()分配的内存中，数据的初始值是随机的，不一定为0。因此，若不对ptr指向的内存赋值，则其值将是任意的。

2.  分配多个指定大小的内存块

除使用aw_mem_alloc()直接分配一个指定大小的内存块外，还可以使用aw_mem_calloc()分配多个连续的内存块，用法与C标准库中的calloc()相同，其函数原型为：

由于分配的内存空间会被初始化为0，因此，即使不对ptr指向的内存赋值，其值也是确定的0。

3.  分配具有一定对齐要求的内存块

有时候，用户申请的内存块可能用来存储具有特殊对齐要求的数据，要求分配内存块的首地址必须按照指定的字节数对齐。此时，可以使用aw_mem_align()分配一个满足指定对齐要求的内存块。其函数原型为：

程序中，将分配的地址通过aw_kprintf()打印输出，以查看地址的具体值，实际运行可以发现，地址值是满足16字节对齐的。注意，该函数与aw_mem_alloc()分配的内存块一样，其中的数据初始值是随机的，不一定为0。

在堆管理器中，并没有类似的分配满足一定对齐要求的内存块接口，只有普通的分配内存块接口：aw_memheap_alloc()。其分配的内存块，可能是对齐的，也可能是未对齐的。为了使返回给用户的内存块能够满足对齐要求，在使用aw_memheap_alloc()分配内存块时，可以多分配align – 1字节的空间，此时，即使获得的内存块首地址不满足对齐要求，也可以返回从内存块首地址开始，顺序第一个对齐的地址给用户，以满足用户的对齐需求。

例如，要分配200字节的内存块，并要求满足8字节对齐，则首先使用aw_memheap_alloc()分配207字节（200 + 8 – 1）的内存块，假定得到的内存块地址范围为：3 ~ 209，示意图详见图9.14(a)。由于首地址3不是8的整数倍，因此其不是按8字节对齐的，此时，直接返回顺序第一个对齐的地址给用户，即：8。由于用户需要的是200字节的内存块，因此，对于用户来讲，其使用的内存块地址范围为 ：8 ~ 207，显然，其在实际使用aw_memheap_alloc()获得的内存块地址范围内，用户获得的内存块是完全有效的，示意图详见图9.14(b)。

图9.15 内存对齐的处理——未多分配align-1字节的空间

实际中，由于align – 1的值往往是一些比较特殊的奇数值，例如：3、7、15、31等，经常如此分配容易把内存块的首地址打乱，出现很多非对齐的地址。因此，往往会直接多分配align字节的内存空间。

同时，出于效率考虑，在AWorks中，每次分配的内存往往都按照默认的CPU自然对齐字节数对齐，例如，在32位系统中，默认分配的所有内存都按照4字节对齐，基于此，aw_mem_alloc()函数的实现可以更新为如程序清单9.10所示的程序。 

程序清单9.10 aw_mem_alloc()函数分配的内存按照4字节对齐

其中，ptr为使用aw_mem_alloc()、aw_mem_calloc()或aw_mem_align()函数分配的内存块首地址，即调用这些函数的返回值。new_size为调整后的大小。返回值为调整大小后的内存块首地址，特别地，若调整大小失败，则返回值为NULL。

例如，首先使用aw_mem_alloc()分配了存储1个int类型数据的内存块，然后重新调整内存块的大小，使其可以存储2个int类型的数据。范例程序详见程序清单9.11。

程序清单9.11 内存分配范例程序（重新调整内存大小）

其中，ptr为使用aw_mem_alloc()、aw_mem_calloc()、aw_mem_align()或aw_mem_realloc()函数分配的内存块首地址，即调用这些函数的返回值。

当使用aw_mem_free()将内存块释放后，相应的地址空间将变为无效，用户不能再继续使用。释放内存块的范例程序详见程序清单9.12。

程序清单9.12 释放内存块的范例程序

图9.16 初始状态——8个空闲块

在AWorks中，为便于管理，将各个空闲内存块使用单向链表的形式组织起来，示意图详见图9.17。

图9.18 从链表中取出一个内存块

此时，空闲块链表中，将只剩下7个空闲块，示意图详见图9.19。

图9.20 释放一个内存块

释放后，空闲链表中将新增一个内存块，示意图详见图9.21。

1.  定义内存池实例

在使用内存池前，必须先使用aw_pool_t类型定义内存池实例，该类型在aw_pool.h中定义，具体类型的定义用户无需关心，仅需使用该类型定义内存池实例即可，即：

为了满足各种大小的内存块需求，可以定义多个具有不同内存块大小的内存池。例如：定义小、中、大三种尺寸的内存池，它们对应的内存块大小分别为8、64、128。用户根据实际用量选择从合适的内存池中分配内存块，以在一定程度上减少内存的浪费。

2.  初始化内存池

定义内存池实例后，必须使用该接口初始化后才能使用，以指定内存池管理的内存空间，以及内存池中各个内存块的大小。其函数原型为：

程序中，将1024字节的空间分成了大小为16字节的内存块进行管理。注意，出于效率考虑，块大小并不能是任意值，只能为自然对齐字节数的正整数倍。例如，在32位系统中，块大小应该为4字节的整数倍，若不满足该条件，初始化时，将会自动向上修正为4字节的整数倍，例如，块大小的值设置为5，将被自动修正为8。用户可以通过aw_pool_item_size ()函数获得实际的内存块大小。

3.  获取内存池中实际的块大小

前面提到，初始化时，为了保证内存池的管理效率，可能会对用户传入的块大小进行适当的修正，用户可以通过该函数获取当前内存池中实际的块大小。其函数原型为：

运行程序可以发现，实际内存块的大小为8。

实际应用中，为了满足不同容量内存申请的需求，可以定义多个内存池，每个内存池定义不同的块大小。如定义3种块大小尺寸的内存池，分别为8字节（小）、64字节（中）、128字节（大）。范例程序详见程序清单9.15。

程序清单9.15 定义多种不同块大小的内存池

其中，pool_id为初始化函数返回的内存池ID，其用于指定内存池，表示从该内存池中获取内存块。返回值为void *类型的指针，其指向获取内存块的首地址，特别地，若返回值为NULL，则表明获取失败。从内存池中获取一个内存块的范例程序详见程序清单9.16。

程序清单9.16 获取内存块范例程序

其中，pool_id为初始化函数返回的内存池ID，其用于指定内存池，表示将内存块释放到该内存池中。p_item为使用aw_pool_item_get()函数获取内存块的首地址，即调用aw_pool_item_get()函数的返回值，表示要释放的内存块。

返回值为aw_err_t类型的标准错误号，若值为AW_OK，表示释放成功，否则，表示释放失败，释放失败往往是由于参数错误造成的，例如，释放一个不是由aw_pool_item_get()函数获取的内存块。注意，内存块从哪个内存池中获取，释放时，就必须释放到相应的内存池中，不可将内存块释放到其它不对应的内存池中。

当使用aw_pool_item_return()将内存块释放后，相应的内存空间将变为无效，用户不能再继续使用。释放内存块的范例程序详见程序清单9.17。

程序清单9.17 释放内存块范例程序

来源：Mr.Emiya