写点什么

RT-Thread 记录(八、理解 RT-Thread 内存管理)

作者:矜辰所致
  • 2022 年 8 月 15 日
    江苏
  • 本文字数:4701 字

    阅读完需:约 15 分钟

RT-Thread记录(八、理解 RT-Thread 内存管理)
RT-Thread内核的我们已经基本都学习过了,除了基本的线程操作和通信,内核部分还有内存管理和中断处理,本文主要就来说说内存管理相关问题。
复制代码


前言

记得最初学习 RT-Thread ,对于内存管理我也是简单看看然后一笔带过,当时觉得用不上,在我做的一些传感器单品项目上,对于内存管理确实知道与不知道没什么关系,但是随着认知的增长,项目复杂程度增加,发现内存管理还不可或缺,于是今时今日正好再次来更新 RT-Thread 记录,有必要好好的说一说。


RT-Thread 有 2 种内存管理方式,分别是动态内存堆管理和静态内存池管理。


先不管这两种方式是怎么实现的,首先要明白一个问题,为什么要内存管理?


本 RT-Thread 专栏记录的开发环境:

RT-Thread记录(一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio开发环境 及 配合CubeMX开发快速上手)

RT-Thread记录(二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析

RT-Thread 内核篇系列博文链接:

RT-Thread记录(三、RT-Thread 线程操作函数及线程管理与FreeRTOS的比较)

RT-Thread记录(四、RT-Thread 时钟节拍和软件定时器)

RT-Thread记录(五、RT-Thread 临界区保护)

RT-Thread记录(六、IPC机制之信号量、互斥量和事件集)

RT-Thread记录(七、IPC机制之邮箱、消息队列)

一、为什么要内存管理


什么是内存管理?为什么需要内存管理?


在我们的程序设计中,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,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。


这样子不断的申请释放,如果没有内存管理,就会导致内存碎片,对程序产生极大的影响。


具体的原因我在下面博文有详细说明:


浅谈 malloc 函数在单片机上的应用


如果看完上面的博文,就应该知道了内存管理的重要性。


我们确实直接在函数或者线程里面创建临时变量使用 线程栈 或 者系统栈处理临时变量,但是正如上面博文里面所说的,作为一个通用的操作系统,都会且必须得有自己的合理的内存管理方式。

这个在我们现在说明的 RT-Thread 操作系统上是内核已经实现好的,我们得了解它。


知道了为什么,那么接下来我们就来了解一下 RT-Thread 的这 2 种内存管理方式。

二、RT-Thread 内存堆管理


现在看看内存堆管理, 所谓堆,看过我博文的朋友应该已经很熟悉了,对于裸机中的堆的位置,大小设定都应该会有一个详细的认知,如果还不知道堆,可以查看下面这篇博文一步到位的理解:


STM32的内存管理相关(内存架构,内存管理,map文件分析)


上文虽然是以 STM32 为例子说明,但是对于 C/C++ 程序编译后的存储数据段 在不同芯片上的顺序基本都是一样的,于是乎在我的又一篇博文中


嵌入式RTOS的 任务栈 和 系统栈


就得到了一张内存分配的示意图:


2.1 RT-Thread 内存分配


要理解 RT-Thread 内存堆管理,首先得知道它管理的是哪一块内存,所以得知道 RT-Thread 内存分配。


其实细心的朋友会发现,我在博文


RT-Thread记录(二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析)


中提到过 RT-Thread 内存分配情况,在其中的 2.2.2 RT-Thread 堆和栈空间说明(与FreeRTOS不同)有过说明:




通过上面的分析,我们可以得到 RT-Thread 下的内存分配的示意图:



通过上面我们自己的分析,再结合官方说明文档的说明,我们应该能完全明白了什么是 RT-Thread 的内存堆:



至此,我们可以确实的明白,RT-Thread 内存管理管理的是哪一部分的内存了。

2.2 RT-Thread 内存堆管理方式

那么 RT-Thread 对于内存堆,是如何管理的呢?


说明:对于这部分,我个人记录是以知道为主,毕竟我们专栏以应用为主,我们了解会用即可,如果以后确实自己会需要自己写内存管理,肯定会单独更新一篇博文。

我们先前的基础介绍直接使用官网说明,本节后部分会说明下程序中是怎么选择使用的。

2.2.1 内存堆管理的 3 种方式

RT-Thread 内存堆管理又根据具体内存设备划分为三种情况:


  • 针对小内存块的分配管理(小内存管理算法)

  • 针对大内存块的分配管理(slab 管理算法)

  • 针对多内存堆的分配情况(memheap 管理算法)


这里套用官方的介绍做个简单说明(如果需要深入了解可以去官网查看):




2.2.2 管理方式的程序配置

我们上面 简单介绍了 RT-Thread 内存堆管理的 3 种方式,虽然我们没有详细分析内部是如何实现,那么我们也得了解在 RT-Thread 工程中,是怎么配置使用哪一种管理方式,同时了解这些方式的实现在程序什么文件中。


在工程的rtconfig.h中有关于内存管理方式的配置:



上图是使用小内存堆管理算法。


如果是使用 slab 管理算法,需要宏定义如下:


#define RT_USING_SLAB#define RT_USING_HEAP
复制代码


如果是使用 memheap 管理算法,需要宏定义如下:


#define RT_USING_MEMHEAP_AS_HEAP
复制代码


具体的实现文件是在工程 mem.c 文件中,如下图:



RT-Thread 内存管理详细的实现方式可以自行查看该文件,这里就不过多介绍。

2.3 内存堆 API 函数


对于 RT-Thread 内存堆管理,是有自己的 malloc 函数,不能直接用 c 语言库中原始的malloc 函数。


其 三种管理算法提供的 API 都是相同的。


初始化:


首先是初始化函数:


/*小内存堆和slab 管理算法*/void rt_system_heap_init(void* begin_addr, void* end_addr);
/*memheap 管理算法*/rt_err_t rt_memheap_init(struct rt_memheap *memheap, const char *name, void *start_addr, rt_uint32_t size)
复制代码


我在《RT-Thread 记录(二、RT-Thread 内核启动流程 — 启动文件和源码分析)》板级硬件初始化 — rt_hw_board_init 小结中提到过 这个函数,:



RT-Thread 内存堆初始化函数是在系统启动时候初始化的,而不是我们用户在 main 函数中再初始化的。


内存管理操作函数:


简单记录一下:


/*分配内存块参数:nbytes   需要分配的内存块的大小,单位为字节返回   ——分配的内存块地址   成功RT_NULL   失败*/void *rt_malloc(rt_size_t nbytes);/*释放内存块参数:ptr   待释放的内存块指针*/void rt_free (void *ptr);/*重分配内存块参数   描述rmem   指向已分配的内存块newsize   重新分配的内存大小返回   ——重新分配的内存块地址   成功*/void *rt_realloc(void *rmem, rt_size_t newsize);/*分配多内存块参数   描述count   内存块数量size   内存块容量返回   ——指向第一个内存块地址的指针   成功 ,并且所有分配的内存块都被初始化成零。RT_NULL   分配失败*/void *rt_calloc(rt_size_t count, rt_size_t size);
/*设置内存钩子函数参数 描述hook 钩子函数指针*/void rt_malloc_sethook(void (*hook)(void *ptr, rt_size_t size));/*上面函数的hook 函数接口参数 描述ptr 分配到的内存块指针size 分配到的内存块的大小*/void hook(void *ptr, rt_size_t size);
/*释放内存钩子函数参数 描述hook 钩子函数指针*/void rt_free_sethook(void (*hook)(void *ptr));/*上面函数的hook 函数接口参数 描述ptr 待释放的内存块指针*/void hook(void *ptr);
复制代码



释放内存块后要清空内存块指针,不然会成为野指针。

三、RT-Thread 内存池

RT-Thread 的第二种内存管理方式是 内存池,内存池是一种内存分配方式,用于分配大量大小相同的小内存块,它可以极大地加快内存分配与释放的速度,且能尽量避免内存碎片化。他是为了提高内存分配的效率,并且避免内存碎片而产生的。


基本介绍套用官方说明:



内存池属于 内核对象!!支持线程挂起功能。


内核对线什么意思?就是我们前面说到的,线程,IPC 机制,这些东西都是内核对象,所以存在 内存池 控制块。


有一个点要注意,内存池申请的内存块大小固定!

3.1 内存池的位置

内存池也是内存管理,那么他创建的之后在内存的什么位置呢?


首先明白内存池作为一个对象,其实可以认为是一个变量,那么他基本上就是属于.bss 段的东西了,在 RT-Thread 中,他的位置应该是在 .bss 段的。


我们按照上面的内存分配的示意图说明一下内存池申请的内存位置:



为了验证一下是否如此,可以初始化一个内存池,编译后查看一下.map 文件:



内存池属于.bss 段的数据,只不过他一般来说都是申请的相对比较大的一块内存空间,然后在这个大空间内自己有自己的分配管理方式。

3.2 内存池程序配置和控制块

内存池程序配置:


RT-Thread 的内存池在程序中的配置和实现文件如下图:



内存池控制块:(因为是内对象,所以还是熟悉的配方,熟悉的味道~ ~)


struct rt_mempool{    struct rt_object parent;
void *start_address; /* 内存池数据区域开始地址 */ rt_size_t size; /* 内存池数据区域大小 */
rt_size_t block_size; /* 内存块大小 */ rt_uint8_t *block_list; /* 内存块列表 */
/* 内存池数据区域中能够容纳的最大内存块数 */ rt_size_t block_total_count; /* 内存池中空闲的内存块数 */ rt_size_t block_free_count; /* 因为内存块不可用而挂起的线程列表 */ rt_list_t suspend_thread; /* 因为内存块不可用而挂起的线程数 */ rt_size_t suspend_thread_count;};typedef struct rt_mempool* rt_mp_t;
复制代码


内存池具体管理方法的实现可以自己查看下源码,这里暂时不做深入研究。

3.3 内存池操作 API 函数

内存池作为内核对象,那么他的操作就和以前那些 IPC 机制,线程一样的方式,分为动态创建,静态初始化这些。


并不需要在 板级初始化的时候就初始化。用户可以自己选择用于不用。


简单记录说明一下内存池操作函数:


/*创建内存池参数   描述name   内存池名block_count   内存块数量block_size   内存块容量返回   ——内存池的句柄   创建内存池对象成功RT_NULL   创建失败*/rt_mp_t rt_mp_create(const char* name,                         rt_size_t block_count,                         rt_size_t block_size);/*删除内存池参数   描述mp   rt_mp_create 返回的内存池对象句柄返回   ——RT_EOK   删除成功*/rt_err_t rt_mp_delete(rt_mp_t mp);/*初始化内存池参数   描述mp   内存池对象name   内存池名start   内存池的起始位置size   内存池数据区域大小block_size   内存块容量返回   ——RT_EOK   初始化成功- RT_ERROR   失败*/rt_err_t rt_mp_init(rt_mp_t mp,                        const char* name,                        void *start, rt_size_t size,                        rt_size_t block_size);/*脱离内存池参数   描述mp   内存池对象返回   ——RT_EOK   成功*/rt_err_t rt_mp_detach(rt_mp_t mp);/*分配内存块参数   描述mp   内存池对象time   超时时间返回   ——分配的内存块地址   成功RT_NULL   失败*/void *rt_mp_alloc (rt_mp_t mp, rt_int32_t time);/*释放内存块参数   描述block   内存块指针*/void rt_mp_free (void *block);
复制代码

结语

本文从为什么要内存管理说起,了解了 RT-Thread 的 2 种内存管理方式:内存堆 和 内存池。


相信不管你平时用不用动态内存申请,看了这篇文章以后也会对 RT-Thread 的内存管理有一定的了解,在以后需要用到动态内存分配的同时也不会手足无措!


但是特别注意,不管使用哪种方式,在申请的内存使用完之后都必须及时释放,而且要注意清空相应的指针!


但是本文的重点在于理解 为什么要内存管理,和 内存管理管理的是哪一块的内存,对于如何实现内存管理我们只是借用了官方的说明,还是没有深入的研究分析。这个需要等以后博主有机会自己写一套内存管理方式的时候,或许会单独开一篇博文深入分析。


谢谢!

发布于: 刚刚阅读数: 4
用户头像

矜辰所致

关注

不浮夸,不将就,认真对待学知识的我们! 2022.08.02 加入

不浮夸,不将就,认真对待学知识的我们,矜辰所致,金石为开! 为了活下去的嵌入式工程师,画画板子,敲敲代码,玩玩RTOS,搞搞Linux ...

评论

发布
暂无评论
RT-Thread记录(八、理解 RT-Thread 内存管理)_内存管理_矜辰所致_InfoQ写作社区