KeilC動態(tài)內(nèi)存管理機制分析及改進.doc

2（ 6068a ） Keil C 動態(tài)內(nèi)存管理機制分析及改進 P 74全文如下：Keil C 動態(tài)內(nèi)存管理機制分析及改進 丁明亮 熊真春摘要通過對C51中init_mempool, malloc, free三個函數(shù)源代碼的分析，深入分析C51的動態(tài)內(nèi)存管理機制，同時也給出一些使init_mempool函數(shù)更完善和除去free函數(shù)中的一個錯誤的建議。關(guān)鍵詞 C51 動態(tài)內(nèi)存管理 分析Abstract: based on the analysis to sources of function init_mempool, malloc and free, this article probes the dynamic memory management of C51 Library, and gives out some advices to better function init_mempool and to clear a bug of function free.Key words: C51 dynamic memory management 60.前言Keil C是常用的嵌入式系統(tǒng)編程工具，它通過init_mempool，mallloc，free等函數(shù)，提供了動態(tài)存儲管理管理等功能。本文希望通過init_mempool，mallloc，free三個Keil C庫函數(shù)源代碼的分析，揭示了其實現(xiàn)的原理和方法，也對其中的不足作了改進，以使Keil C 編程人員更好地應(yīng)用動態(tài)存儲管理。1相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、變量及說明在Keil C安裝目錄下的 c51lib目錄下，有實現(xiàn)init_mempool，mallloc，free三個函數(shù)的C源文件init_mem.c，malloc.c，free.c，下面針對keil C7.5A版，將其中與動態(tài)存儲管理相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)介紹如下：#define _MALLOC_MEM_xdata /*該行在stdlib.h文件中*/struct _mem_ struct _mem_ _MALLOC_MEM_ *next; /* 單鏈表 */ unsigned int len; /*下一塊長度 */ ;該結(jié)構(gòu)的next指向堆中的下一空閑內(nèi)存塊，len表示該空閑塊除去該塊首部的struct _mem_結(jié)構(gòu)所占的字節(jié)數(shù)后，該塊實際可用的字節(jié)數(shù)。由于next 是一個指向XDATA區(qū)的指針，故在Keil C中應(yīng)用程序所定義的堆空間應(yīng)在XDATA段中定義。在Keil C中，堆中的所有的空閑內(nèi)存塊是用一個單鏈表來管理的，struct _mem_即為該鏈表結(jié)點的結(jié)構(gòu)，后面定義的宏AVAIL為該鏈表的首結(jié)點，為敘述方便，以下將該鏈表稱為AVAIL鏈表。typedef struct_mem_ _memt_;typedef _memt_ _MALLOC_MEM_ *_memp_;_memt_ _MALLOC_MEM_ _mem_avail_ 2 = NULL, 0 ,/*堆中空閑內(nèi)存塊頭結(jié)點 */ NULL, 0 ,/* 未使用，但對free函數(shù)防止丟失堆空間或誤將鏈表頭加入到堆空間，卻是必須的 */ /*作者注：_mem_avail_ 1的存在，并不能防止堆丟失，見后面free函數(shù)分析*/ ;#define AVAIL(_mem_avail_0)全局?jǐn)?shù)組_mem_avail_實際也是struct _mem_類型，_mem_avail_0的next指向堆中首塊空閑塊，如堆中已無空閑內(nèi)存塊，則_mem_avail_0的next為NULL（0值）。為使程序代碼簡潔，定義了宏AVAIL 來代替_mem_avail_0。2 init_mempool函數(shù)剖析函數(shù)int init_mempool ( void _MALLOC_MEM_ *pool, unsigned int size)失敗時將返回0，成功則返回-1，參數(shù)pool 指向應(yīng)用程序定義的堆空間，參數(shù)size為堆空間的字節(jié)數(shù)。如果應(yīng)用程序提供的堆空間太?。╯ize的值太?。瑢⑹嶋H意義，故函數(shù)將返回0表示失敗。當(dāng)size參數(shù)足夠大，則會初如化AVAIL（即_mem_avail_0），使其next域指向pool參數(shù)所指向的堆空間，len域為pool參數(shù)所指向的堆空間的總字節(jié)數(shù)size。其在Keil C 7.5A庫中init_mem.c的源代碼如下所示。#defineHLEN(sizeof(_memt_)#define MIN_POOL_SIZE(HLEN * 10)int init_mempool (void _MALLOC_MEM_ *pool, unsigned int size)if (size next = NULL;(AVAIL.next)-len = size - HLEN;return (-1);/*成功*/堆NULLsize-HLENAVAILpoolsize圖1： init_mempool執(zhí)行后的AVAIL鏈表及堆空間在成功執(zhí)行init_mempool函數(shù)后，將得到如圖1所示的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。另外，鏈?zhǔn)捉Y(jié)點AVAIL的len域記錄了整個堆的字節(jié)數(shù)。鏈?zhǔn)譇VAIL結(jié)點的next域指向的是首塊空閑塊，當(dāng)經(jīng)過多次的malloc函數(shù)而堆中沒有空閑內(nèi)存塊時，AVAIL結(jié)點的next域?qū)镹ULL值。很明顯，從上面的if (pool = NULL) pool = 1; size-; 這部分源代碼來看，如果應(yīng)用程序中pool參數(shù)為空指針（pool為0）時，此時顯然不能直接將AVAIL的next 域的值賦為空指針的（即賦為0），于是便將pool的值改為1，再將size的值減1，這樣，init_mempool函數(shù)會在XDATA區(qū)中，從地址1開始，取size-1個字節(jié)來作為堆來使用，如果源程序有定義在XDATA區(qū)的變量，則這些變量所占的存儲單元也可能會被當(dāng)成堆空間的一部分，這無疑是有潛在風(fēng)險的。部分程序員在調(diào)用init_mempool函數(shù)時習(xí)慣將pool參數(shù)設(shè)為一個形如0xAAAA數(shù)字表示的絕對地址，如果不加特別防范，也是不妥的，因為Keil C可能會在你以如此方式指定的堆空間中分配臨時變量。好的習(xí)慣是定義一個字節(jié)數(shù)組作為堆空間，再將數(shù)組名作為pool參數(shù)調(diào)用init_mempool函數(shù)。在Keil C的聯(lián)機文檔中，指明了init_mempool在應(yīng)用程序中只能被調(diào)用一次，那么，如果多次調(diào)用該函數(shù)又會有什么后果呢？從該函數(shù)的源代碼來分析，多次調(diào)用init_mempool函數(shù)會導(dǎo)致重新初始化首結(jié)點AVAIL的next域和len域的值，將使AVAIL鏈表中的原有的管理信息丟失，從而導(dǎo)致一些很難診斷的問題。對這個問題，可采用如下的保護措施。當(dāng)發(fā)現(xiàn)AVAIL鏈表中已有管理信息時，則返回失敗標(biāo)志，函數(shù)直接返回。具體的方法是檢查AVAIL結(jié)點的len域，由于其被初始化為零，如果發(fā)現(xiàn)其值非零，則表明init_mempool函數(shù)已被成功調(diào)用過，此時函數(shù)直接返回。3malloc函數(shù)分析malloc函數(shù)的原形是void *malloc (unsigned int size);size參數(shù)為需動態(tài)申請的內(nèi)存塊的字節(jié)數(shù)。malloc函數(shù)的算法是查找AVAIL鏈表中各結(jié)點next指針?biāo)赶虻目臻e內(nèi)存塊，如果某塊的空閑的字節(jié)數(shù)=size參數(shù)，則停止查找，并從該塊進行內(nèi)存分配，返回一個指向所分配的內(nèi)存塊的指針給應(yīng)用程序，如果沒有找到合符要求的空閑內(nèi)存塊，則返回空指針給應(yīng)用程序。需要注意的是AVAIL鏈表中除首結(jié)點AVAIL外，其余各節(jié)點是位于堆中各空閑內(nèi)存塊開始處的一個struct _mem_結(jié)構(gòu)中，其len域為該空閑塊總字節(jié)數(shù)減去sizeof(struct _mem)后的值，即該塊實際空閑的字節(jié)數(shù)；next域指向堆中下一空閑內(nèi)存塊。設(shè)鏈表節(jié)點p指向所找到的空閑內(nèi)存塊，如果在p空閑塊分配size個字節(jié)后，剩余的字節(jié)數(shù)不多，則將p塊從AVAIL鏈表中刪除，然后返回一個指向p塊偏移sizeof(struct _mem)處的指針。如果在p空閑塊分配size個字節(jié)后，該塊仍剩余較多的字節(jié)數(shù)，則需對該塊進行分割，將多出的這一部分保留在AVAIL鏈表中。下面是在malloc.c中該函數(shù)的部分源代碼：#define MIN_BLOCK(HLEN * 4)void _MALLOC_MEM_ *malloc ( unsigned int size)/省略k = p-len - size; /* 計算分配后剩余的字節(jié)數(shù) */if (k next = p-next; /*將p塊從AVAIL鏈表中刪除*/ return (&p1);/* 成功，參見后面分析*/ /*分割該塊*/k -= HLEN;p-len = k;q = (_memp_ ) (char _MALLOC_MEM_ *) (&p 1) + k);q-len = size; /*填入所分配塊的大小*/return (&q1); /* 成功，參見下面分析*/在C語言中，數(shù)組名就是一個內(nèi)存地址，也可把一個指針當(dāng)作一個數(shù)組名；同時C語言數(shù)組的下標(biāo)從0開始，在上面的源代碼中，q為struct struct _mem類型的指針，所以&q1的值等于q塊的起始地址+sizeof(struct struct _mem)的值，也就是說malloc通過return(&q1)語句返回給應(yīng)用程序的內(nèi)存塊指針，實際是指向所分配內(nèi)存塊偏移sizeof(struct struct _mem_)處的。假設(shè)我們的應(yīng)用程序中有一指向某動態(tài)分配的內(nèi)存塊的指針x，則可用如下的語句來獲知包含開始處struct struct _mem的x塊的大?。?struct struct _mem_ *pBlock; unsigned int blocksize; pBlock=x; blocksize=(struct struct _mem_ *)(&pBlock-1)-len+sizeof(struct struct _mem);而這正是free函數(shù)進行內(nèi)存回收時所要采用的技術(shù)。4.free函數(shù)分析及改進free函數(shù)的原形是void free (void xdata *memp); 參數(shù)memp指向所要釋放的內(nèi)存塊。在AVAIL鏈表中，各結(jié)點是按其所指空閑內(nèi)存塊的開始地址的大小按升序排列。free函數(shù)的算法是在AVAIL鏈表中查一個節(jié)點p(其前驅(qū)為q)，當(dāng)p節(jié)點所指空存塊的地址大于參數(shù)memp所指內(nèi)存塊的起始地址時，則將memp塊插入到該節(jié)點之前，如沒有找到這樣的節(jié)點，則memp塊插到鏈尾。在插入memp塊時，還將檢查在memp塊的前后是否存在地址相鄰的空閑內(nèi)存塊，如果有，則將memp塊與相鄰塊合并。free庫函數(shù)的部分源代碼如下：void free ( void _MALLOC_MEM_ *memp)/前面省略p0 = memp;p0 = &p0 -1;/* 參考malloc函數(shù)的分析，&p0 -1為memp所指內(nèi)存塊首部的 struct _mem_結(jié)構(gòu)的地址，其中含有該塊內(nèi)存的大小信息，由調(diào)用malloc函數(shù)時填入*/q = &AVAIL;/查找p節(jié)點的代碼省略/部分代碼省略/*如果q塊與memp塊相鄰，則合并*/if (char _MALLOC_MEM_ *)q) + q-len + HLEN) = p0) q-len += p0-len + HLEN; q-next = p0-next; else q-next = p0; 值得探討的是最后一段將memp塊與前一塊（q塊）合并的這部分代碼。如果在執(zhí)行此部分代碼之前，q指向首結(jié)點AVAIL，而此時欲將q塊與memp塊合并顯然是不合理；實際上，此時本應(yīng)當(dāng)使q的next指針的值設(shè)為memp塊的開始地址p0。由于Keil C7.5A中free庫函數(shù)的源程序中沒有考慮這種特殊情況，可能會引發(fā)嚴(yán)重后果。由源代碼分析可知，在q指向首結(jié)點AVAIL，而此時如果滿足memp塊與q塊合并的判定條件，執(zhí)行q-len += p0-len + HLEN；q-next = p