2.LwIP_内存管理

LwIP有两种内存管理策略，它们分别是内存堆和内存池。

1、内存堆

1.1 相关特性

内存堆是什么：

内存堆就是动态分配内存，从低地址开始查找找到合适的内存后返回指针，并将多余的内存与临近的内存进行合并(first fit算法)。

内存堆的由来：

1、申请一个名为ram_heap的大数组，模拟C库的malloc和free的实现过程，对大数组进行操作。LwIP默认选择该方式。

2、动态申请内存池，以此为基础作为内存堆的空间。一般不使用，配置宏MEM_USE_POOLS、MEMP_USE_CUSTOM_POOLS可使能。

3、使用C库的malloc来实现。一般不使用该情况，配置宏MEM_LIBC_MALLOC可使能。

相关解释在mem.c中有如下解释：

内存堆的对齐：

LWIP_MEM_ALIGN_SIZE宏用于对齐，它的对齐字节数由宏MEM_ALIGNMENT所确定，在默认情况下MEM_ALIGNMENT = 4，因此是4字节对齐。 

以下内存对齐描述都认为MEM_ALIGNMENT = 4，即：4字节对齐。

对于最小分配内存大小，它所占的空间由宏MIN_SIZE_ALIGNED表示，在默认情况下MIN_SIZE = 12，因此对齐后最小分配内存大小 = 12字节。

对于内存控制块，它所占的空间用宏SIZEOF_STRUCT_MEM表示，sizeof(struct mem)的范围是5~7，因此经过对齐后应为8字节。

对于内存堆的可用最大空间，它所占的空间由宏MEM_SIZE_ALIGNED表示，在默认情况下MEM_SIZE = 30*1024，因此经过对齐后内存堆的空间应为30K字节。

对于内存堆的数组名与空间大小，它由宏LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED来确定，最终的结果为注释部分

内存堆相关指针：

u8_t* ram：指向内存堆对齐后起始地址，即：ram_heap[0]的地址。

struct mem* ram_end：指向系统最后一个内存块，这代表内存堆的结尾，是不可用的空间。

struct mem* lfree：指向当前系统具有最低地址的空闲内存块，这是动态变化的值。

内存堆的结构：

内存堆由内存控制块和可用内存两部分构成，当申请内存堆后，返回的地址是可用内存的首地址。

具体框图如下：

1.2 相关函数

内存堆的管理函数存放在mem.c中，关键函数有init、malloc、free三个，分别对应初始化、申请、释放。

1.2.1 mem_init

控制块结构体：

struct mem {
  /** index (-> ram[next]) of the next struct */
  mem_size_t next;   // 指向下一个节点索引
  /** index (-> ram[prev]) of the previous struct */
  mem_size_t prev;   // 指向上一个节点索引
  /** 1: this area is used; 0: this area is unused */
  u8_t used;         // 描述内存块是否可用 0 ：未使用；1 ：已使用
#if MEM_OVERFLOW_CHECK
  /** this keeps track of the user allocation size for guard checks */
  mem_size_t user_size;
#endif
};

函数功能：

初始化LwIP的内存堆，由lwip_init调用。

函数结构：

1、初始化raw指针指向数组首地址

2、在数组首地址处生成一个控制块，并代表整个内存堆为空。

        mem->next = MEM_SIZE_ALIGNED; 

        mem->used = 0;

3、在数组尾部生成一个控制块，并代表内存堆的结尾部分。

4、将lfree指向raw，因为在初始化时内存堆全为空。

函数实现：

/**
 * Zero the heap and initialize start, end and lowest-free
 */
void
mem_init(void)
{
  struct mem *mem;

  LWIP_ASSERT("Sanity check alignment",
              (SIZEOF_STRUCT_MEM & (MEM_ALIGNMENT - 1)) == 0);

  //1.初始化raw指向数组头
  ram = (u8_t *)LWIP_MEM_ALIGN(LWIP_RAM_HEAP_POINTER);//ram指向内存堆的首地址
  
  //2.初始化头控制块,空间的开头
  mem = (struct mem *)(void *)ram;	//mem是控制块指针,指向第一个控制块
  mem->next = MEM_SIZE_ALIGNED;		//MEM_SIZE_ALIGNED为内存堆的最大空间,next指向它代表整个空间空闲
  mem->prev = 0;
  mem->used = 0;					//used = 0代表本空间可用
  
  //3.初始化尾控制块，空间的结尾
  ram_end = ptr_to_mem(MEM_SIZE_ALIGNED);	//ram_end是控制块指针，指向最末尾的位置，代表内存堆空间已用完
  ram_end->used = 1;						//ram_end之后虽然还有一些空间，但这些空间用作对齐，因此used = 1代表不可用
  ram_end->next = MEM_SIZE_ALIGNED;										
  ram_end->prev = MEM_SIZE_ALIGNED;
  MEM_SANITY();

  //4.初始化lfree指向最低地址的空闲内存块
  lfree = (struct mem *)(void *)ram;		//初始化时全空闲，因此lfree指向数组头ram

  MEM_STATS_AVAIL(avail, MEM_SIZE_ALIGNED);

  if (sys_mutex_new(&mem_mutex) != ERR_OK) {
    LWIP_ASSERT("failed to create mem_mutex", 0);
  }
}

初始化后指针与空间分布如下： 

1.2.2 mem_malloc

函数功能：

在内存堆中开辟指定大小的空间。

函数结构：

1、对申请大小进行相关处理，如：对齐、大小应至少为最小内存堆大小、大小应小于最大的大小

2、使用first fit算法查找空闲内存堆，这是一个循环遍历的查找

first fit算法：

1、整体框架是令ptr指向lfree，之后通过next遍历整个内存堆。代码如下：

for (ptr = mem_to_ptr(lfree); ptr < MEM_SIZE_ALIGNED - size;
     ptr = ptr_to_mem(ptr)->next) {	

    //相关处理代码
}

在遍历过程中，如果ptr<剩余空间，那么该循环则会退出。内存框图如下：

2、在循环中，首先要将ptr转为struct mem格式，从而对控制块的used位进行判断。如果该块未被使用并且内存足够的话，则进行相应操作。 

for(){
    mem = ptr_to_mem(ptr);	//转为控制块进行操作
    if ((!mem->used) &&
          (mem-&g