動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理在面向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的研究

動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理在面向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的研究動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的基本任務(wù)就是有效地對(duì)動(dòng)態(tài)內(nèi)存進(jìn)行分配、回收，并同時(shí)保證系統(tǒng)的快速性、可靠性和穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)請(qǐng)求分配內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)需要從所有空閑塊中找到一個(gè)合適的空閑塊進(jìn)行分配；當(dāng)用戶(hù)不再使用而將某塊內(nèi)存釋放時(shí)，系統(tǒng)需要回收這一內(nèi)存塊，以備在新的請(qǐng)求產(chǎn)生時(shí)重新進(jìn)行分配。為此，系統(tǒng)需要建立一個(gè)與內(nèi)存當(dāng)前使用情況相對(duì)應(yīng)的內(nèi)存描述，用來(lái)記錄所有與內(nèi)存分配、回收相關(guān)的信息。而如何記錄這些信息并進(jìn)行分配與回收，便成為各種算法的最根本區(qū)別。

1嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存管理技術(shù)的特點(diǎn)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各任務(wù)不僅要執(zhí)行無(wú)誤而且要做到準(zhǔn)時(shí)；軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各任務(wù)運(yùn)行的越快越好，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成。可以看出動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配是絕對(duì)不能用于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的，因?yàn)閯?dòng)態(tài)分配具有時(shí)間不確定性（分配時(shí)間與內(nèi)存塊數(shù)量有關(guān)），而且動(dòng)態(tài)分配可能產(chǎn)生分配不成功的情況。所以對(duì)于硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，只能采用靜態(tài)內(nèi)存分配方式。靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時(shí)將程序所需的內(nèi)存空間分配好，這樣不會(huì)出現(xiàn)分配失敗的情況。

1.1靜態(tài)分配與動(dòng)態(tài)分配

靜態(tài)分配為系統(tǒng)提供了最好的可靠性與實(shí)時(shí)性。對(duì)于那些對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求極高的需求，就只能采用靜態(tài)分配方式。但采用靜態(tài)分配就必然會(huì)使系統(tǒng)失去靈活性。因此必須在設(shè)計(jì)階段考慮所有可能的情況，并對(duì)所有的需求做出相應(yīng)的空間分配。一旦出現(xiàn)沒(méi)有考慮到的情況，系統(tǒng)就無(wú)法處理。此外靜態(tài)分配方式也必然導(dǎo)致很大的浪費(fèi)，因?yàn)楸仨毎凑兆顗那闆r進(jìn)行最大的配置，而在實(shí)際運(yùn)行中可能只用到其中的一小部分。

動(dòng)態(tài)分配為系統(tǒng)提供了很大的靈活性，而且在內(nèi)存的利用率和系統(tǒng)功能擴(kuò)展等方面也都明顯地優(yōu)于靜態(tài)分配。

大多數(shù)系統(tǒng)采用靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配相結(jié)合的方式。由于嵌入式系統(tǒng)本身各個(gè)任務(wù)的可靠性、實(shí)時(shí)性要求不盡相同，通常會(huì)有一部分任務(wù)對(duì)可靠性與實(shí)時(shí)性沒(méi)有特別嚴(yán)格的要求。這些任務(wù)對(duì)一定的延時(shí)與失敗是可以接受的。因此對(duì)于這樣的一部分任務(wù)，就可以采用動(dòng)態(tài)分配方式來(lái)滿(mǎn)足它們部分或全部的內(nèi)存需求。而對(duì)于那些有嚴(yán)格時(shí)限要求的任務(wù)，為了保證任務(wù)的可靠性和實(shí)時(shí)性，就應(yīng)采用靜態(tài)分配方式。

1.2動(dòng)態(tài)分配的技術(shù)要求

（1）快速性：由于嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，所以?xún)?nèi)存分配過(guò)程要盡可能地快。在嵌入式系統(tǒng)中，由于還不能采用通用操作系統(tǒng)中復(fù)雜而完善的內(nèi)存分配策略，所以一般都采用簡(jiǎn)單、快速的內(nèi)存分配方案。

（2）可靠性：由于嵌入式系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求較高，所以?xún)?nèi)存分配過(guò)程也要具備高可靠性。但由于各個(gè)嵌入式系統(tǒng)之間對(duì)可靠性的要求不盡相同，對(duì)內(nèi)存分配的可靠性要求也就各不相同。通常，可靠性要求極高的系統(tǒng)不采用動(dòng)態(tài)分配。

（3）高效性：由于在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存資源都相對(duì)有限，所以為了保證程序的正常運(yùn)行，內(nèi)存管理系統(tǒng)要盡可能高效地使用內(nèi)存，減少不必要的浪費(fèi)。

2伙伴系統(tǒng)

2.1伙伴系統(tǒng)原理

伙伴（buddy）系統(tǒng)的基本原理就是按照2的冪次方大小對(duì)內(nèi)存進(jìn)行分配，以此得到很高的分配速度和回收速度。例如：對(duì)于10KB的空間請(qǐng)求，伙伴系統(tǒng)會(huì)分配16KB的空間來(lái)滿(mǎn)足。因?yàn)閮?nèi)存空閑塊大小均為2的冪次方，所以需要16KB,這是滿(mǎn)足10KB的最小空間；同樣對(duì)于70KB的空間請(qǐng)求，伙伴系統(tǒng)會(huì)分配128KB的空間來(lái)滿(mǎn)足。

2.2伙伴系統(tǒng)存在的問(wèn)題

伙伴系統(tǒng)比那些按大小而不按塊的整數(shù)倍地址分配的算法有更多的優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)一個(gè)大小為2的K次冪的塊被釋放后，存儲(chǔ)管理只需要搜索2的K次冪字節(jié)大小的塊以判定是否需要合并。那些允許內(nèi)存塊以任意形式分割的策略需要搜索所有的空閑塊表。相比之下，伙伴系統(tǒng)更快。

但是對(duì)于內(nèi)存利用率來(lái)說(shuō)，伙伴系統(tǒng)是極其低效的。問(wèn)題出自所有的內(nèi)存請(qǐng)求都必須以2的冪次方大小的空間來(lái)滿(mǎn)足，一個(gè)35KB的請(qǐng)求需要分配64KB的空間，其余的29KB被浪費(fèi)了。在極端情況下內(nèi)存資源有近50%被浪費(fèi)。

3連續(xù)的內(nèi)存分配

3.1問(wèn)題提出

伙伴系統(tǒng)的內(nèi)存管理方式對(duì)空間的使用存在極大的浪費(fèi)。在某些情況下還會(huì)由于資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致后繼的內(nèi)存請(qǐng)求得不到滿(mǎn)足，進(jìn)而嚴(yán)重地影響程序的正常功能。

試考慮：系統(tǒng)共有1MB內(nèi)存空間可用，采用伙伴系統(tǒng)進(jìn)行管理。有如下請(qǐng)求：請(qǐng)求A,300KB;請(qǐng)求B,300KB;請(qǐng)求C,50KB.結(jié)果如表1所示。

由表1中可以看出：伙伴系統(tǒng)對(duì)空間的浪費(fèi)是極其嚴(yán)重的，即使在物理內(nèi)存充足（1MB）的情況下，也會(huì)產(chǎn)生請(qǐng)求（650KB）無(wú)法滿(mǎn)足的情況。

由于在嵌入式系統(tǒng)中，一般都沒(méi)有虛擬內(nèi)存的支持，所以當(dāng)內(nèi)存請(qǐng)求無(wú)法得到滿(mǎn)足時(shí)，將嚴(yán)重影響程序的正常功能。因此為了保證程序的正常功能，就要提高內(nèi)存的利用率，盡可能地滿(mǎn)足程序的內(nèi)存請(qǐng)求。所以在對(duì)伙伴系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了連續(xù)的內(nèi)存分配方式。

3.2連續(xù)的內(nèi)存分配原理

從上例不難看出，只要采用連續(xù)的內(nèi)存分配方式（即分配與請(qǐng)求大小相等的空間來(lái)滿(mǎn)足請(qǐng)求），便不難使請(qǐng)求C得到滿(mǎn)足，而且還會(huì)有很大的剩余空間繼續(xù)用來(lái)滿(mǎn)足其他的內(nèi)存請(qǐng)求。結(jié)果如表2所示。

連續(xù)的內(nèi)存分配方式明顯不同于其他以塊為單位進(jìn)行分配的內(nèi)存管理方法。它采用連續(xù)分配的方式，按照請(qǐng)求空間的實(shí)際大小來(lái)進(jìn)行空間分配。

3.3連續(xù)的內(nèi)存分配實(shí)現(xiàn)方法

為了提高內(nèi)存空間的利用率，采用按請(qǐng)求的實(shí)際大小來(lái)分配空間，而不是按塊的整數(shù)倍大小來(lái)分配空間。

基本方法就是將所有獨(dú)立塊（空閑塊和使用塊）按物理地址的先后順序組織成一個(gè)雙鏈表，每個(gè)塊中存放塊本身的一些獨(dú)立信息。分配空間時(shí)，需要查找整個(gè)鏈表以找到最優(yōu)適配的空閑塊，之后再將此空閑塊分裂成二塊，一塊用來(lái)滿(mǎn)足請(qǐng)求，另一塊則作為空閑塊插入鏈表。空間釋放時(shí)，只需根據(jù)鏈表便可以方便地找到與其相鄰的物理塊，在空間合并處理完成之后再將新的塊插入鏈表。

但事實(shí)上，由于在分配過(guò)程中只需要在空閑塊中查找最優(yōu)適配塊，所以可以采用一個(gè)單獨(dú)的鏈表將所有的空閑塊鏈接起來(lái)，這樣可以極大地加快空間分配時(shí)空閑塊的查找速度。

另外，從對(duì)伙伴系統(tǒng)的分析可知，將所有的內(nèi)存空閑區(qū)保留在一個(gè)或多個(gè)按空閑區(qū)大小排序的鏈表中將使內(nèi)存分配很快。所以借鑒伙伴系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，可以將單個(gè)的空閑分區(qū)鏈組織成多個(gè)鏈表間有序的空閑分區(qū)鏈。在動(dòng)態(tài)內(nèi)存操作頻繁的情況下，這將會(huì)提高系統(tǒng)內(nèi)存分配的效率。

由于以上的方式容易產(chǎn)生許多小的不能繼續(xù)使用的空閑區(qū)，所以在進(jìn)行空間分配時(shí)，如果分配所得的空閑區(qū)小于某一特定值，則不再進(jìn)行空間分配，而是將整個(gè)空間作為請(qǐng)求結(jié)果返回。

綜上所述，可以將內(nèi)存塊組織成二個(gè)雙鏈表，即空閑塊鏈表和物理塊鏈表。

（1）空閑塊鏈表：將所有的空閑塊按鏈表間有序的方式組織成多個(gè)獨(dú)立的空閑鏈表。空間分配時(shí)，根據(jù)空間的大小選擇相應(yīng)的鏈表進(jìn)行查找。若查找成功，則在空間分配處理完成之后，將已分配空間返回給請(qǐng)求；若查找失敗，則在更大空間的鏈表中繼續(xù)查找；若直到全部鏈表查找完成仍未找到合適的空閑塊，則認(rèn)為此次分配操作失敗。

（2）物理塊鏈表：將所有獨(dú)立塊（空閑塊和使用塊）組織成一個(gè)雙鏈表，鏈表中各節(jié)點(diǎn)之間是按照物理地址的先后順序鏈接的，每個(gè)塊中存放塊本身的一些獨(dú)立信息?？臻g釋放時(shí)，可以不需查找，而直接根據(jù)這一鏈表找到與釋放塊相鄰的塊。再根據(jù)相鄰塊中的相關(guān)信息就可以方便地進(jìn)行內(nèi)存塊的合并操作。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以將這二個(gè)鏈表的控制信息與用戶(hù)空間獨(dú)立存放，避免控制信息被意外地破壞。也可以利用物理塊本身來(lái)存放這些控制信息，得到更好的空間利用率和更好的靈活性。

3.4連續(xù)的內(nèi)存分配工作方式

首先假定空間不再進(jìn)行分配的最小值為1KB,即當(dāng)空間分裂時(shí)所得的空閑區(qū)小于1KB時(shí)，將不再進(jìn)行空間分配。

分別保留大小為1KB、2KB、4KB、8KB字節(jié)等直到大于內(nèi)存總?cè)萘看笮〉逆湵?。例如?duì)于容量為1024KB的內(nèi)存，有從1KB字節(jié)到2048KB字節(jié)的12個(gè)鏈表。初始時(shí)，所有內(nèi)存都是空閑的，2048KB的鏈表包含一個(gè)1024KB的空閑區(qū)（每個(gè)鏈表存放所有小于鏈表本身字節(jié)數(shù)、大于等于前一鏈表的字節(jié)數(shù)的內(nèi)存塊，2048KB的鏈表存放所有小于2048KB大于等于1024KB的內(nèi)存塊）。其他的鏈表均為空，內(nèi)存最初的情況如圖1所示。為表示方便，圖中使用單鏈表來(lái)表示鏈接關(guān)系。實(shí)線表示物理塊鏈表指針，短劃線表示空閑塊鏈表指針，虛線表示空指針。對(duì)于物理塊鏈表，灰色塊表示已分配塊，白色塊表示空閑塊。

當(dāng)有一個(gè)300KB的內(nèi)存請(qǐng)求（用A表示）產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)找到512KB鏈表的表頭。因?yàn)檫@個(gè)鏈表中可能包含滿(mǎn)足請(qǐng)求所需的最小空間。之后按照最佳適配（bestfit）算法，在鏈表中搜尋是否有夠用的最小空閑區(qū)。此時(shí)512KB的鏈表為空，1024KB的鏈表也為空，所以最終在2048KB的鏈表中找到1024KB可用空間。將此空間分割成大小分別為300KB和700KB的塊，700KB的塊（大于最小塊1KB）插入到1024KB的鏈表中，300KB的塊則返回給請(qǐng)求A.

接著，又有一個(gè)300KB（用B表示）和一個(gè)50KB（用C表示）的內(nèi)存請(qǐng)求。結(jié)果如圖2所示。

現(xiàn)在塊B被釋放。此時(shí)，根據(jù)物理塊鏈表，可以方便地找到與B鄰接的物理塊A和物理塊C.由于塊A和塊C都未被釋放，所以不需要進(jìn)行合并操作。因?yàn)閴KB的大小介于256KB和512KB之間，所以將塊B插入到512KB的空閑鏈表中，結(jié)果如圖3所示。

接著，塊C被釋放。此時(shí)根據(jù)物理塊鏈表可知與塊C鄰接的為塊B和塊F,并且二塊都為空閑狀態(tài)。將塊B和塊F從512KB空閑塊鏈表中刪除，再將三塊合并成一個(gè)700KB的塊（用F表示）插入到1024KB的空閑鏈