RTOS 内存管理实现分析 [ RT-Thread ]

计算机系统中，变量、中间数据一般存放在 RAM 中，只有在实际使用时才将它们从 RAM 调入到 CPU 中进行运算。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，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。

由于实时系统中对时间的要求非常严格，内存管理往往要比通用操作系统要求苛刻得多：

1）分配内存的时间必须是确定的。一般内存管理算法是根据需要存储的数据的长度在内存中去寻找一个与这段数据相适应的空闲内存块，然后将数据存储在里面。而寻找这样一个空闲内存块所耗费的时间是不确定的，因此对于实时系统来说，这就是不可接受的，实时系统必须要保证内存块的分配过程在可预测的确定时间内完成，否则实时任务对外部事件的响应也将变得不可确定。

2）随着内存不断被分配和释放，整个内存区域会产生越来越多的碎片（因为在使用过程中，申请了一些内存，其中一些释放了，导致内存空间中存在一些小的内存块，它们地址不连续，不能够作为一整块的大内存分配出去），系统中还有足够的空闲内存，但因为它们地址并非连续，不能组成一块连续的完整内存块，会使得程序不能申请到大的内存。对于通用系统而言，这种不恰当的内存分配算法可以通过重新启动系统来解决，但是对于那些需要常年不间断地工作于野外的嵌入式系统来说，就变得让人无法接受了。

3）嵌入式系统的资源环境也是不尽相同，有些系统的资源比较紧张，只有数十 KB 的内存可供分配，而有些系统则存在数 MB 的内存，如何为这些不同的系统，选择适合它们的高效率的内存分配算法，就将变得复杂化。

RT-Thread 操作系统在内存管理上，根据上层应用及系统资源的不同，有针对性地提供了不同的内存分配管理算法。

总体上可分为两类：内存堆管理与内存池管理。

内存堆管理

内存堆管理又根据具体内存设备划分为三种情况：

第一种是针对小内存块的分配管理（小内存管理算法）；
第二种是针对大内存块的分配管理（slab 管理算法）；
第三种是针对多内存堆的分配情况（memheap 管理算法）

内存堆管理器可以分配任意大小的内存块，非常灵活和方便。但其也存在明显的缺点：
一是分配效率不高，在每次分配时，都要空闲内存块查找；
二是容易产生内存碎片。

内存池管理

为了提高内存分配的效率，并且避免内存碎片，RT-Thread 提供了另外一种内存管理方法：内存池（Memory Pool）。

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。此外，RT-Thread 的内存池支持线程挂起功能，当内存池中无空闲内存块时，申请线程会被挂起，直到内存池中有新的可用内存块，再将挂起的申请线程唤醒。

内存堆管理相对简单，我们着重了解RT-thread 的内存池的实现及管理。以RTT最新稳定版本4.1.0的内核为蓝本。

\include\rtdef.h
/**
 * Base structure of Memory pool object
 */
struct rt_mempool
{
    struct rt_object parent;                            /**< inherit from rt_object */

    void            *start_address;                     /**< memory pool start */
    rt_size_t        size;                              /**< size of memory pool */

    rt_size_t        block_size;                        /**< size of memory blocks */
    rt_uint8_t      *block_list;                        /**< memory blocks list */

    rt_size_t        block_total_count;                 /**< numbers of memory block */
    rt_size_t        block_free_count;                  /**< numbers of free memory block */

    rt_list_t        suspend_thread;                    /**< threads pended on this resource */
};
typedef struct rt_mempool *rt_mp_t;

这个结构体称为内存池控制块，是操作系统用于管理内存池的一个数据结构，其继承于struct rt_object，由此可知内存池也是一种内核对象。它会存放内存池的一些信息，例如内存池名，内存池数据区域开始地址，内存缓冲区，内存块大小，块数，内存块与内存块之间连接用的链表结构，因内存块不可用而挂起的线程等待事件集合等。由此结构体实例化的对象就是内存池。

每一个内存池对象由上述结构组成，其中 suspend_thread 形成了一个申请线程等待列表，即当内存池中无可用内存块，并且申请线程允许等待时，申请线程将挂起在 suspend_thread 链表上。

内存池在创建时先向系统申请一大块内存，然后分成同样大小的多个小内存块，小内存块直接通过链表连接起来（此链表也称为空闲链表）。每次分配的时候，从空闲链表中取出链头上第一个内存块，提供给申请者。

从下图中可以看到，物理内存中允许存在多个大小不同的内存池，每一个内存池又由多个空闲内存块组成，内核用它们来进行内存管理。当一个内存池对象被创建时，内存池对象就被分配给了一个内存池控制块。

内核负责给内存池分配内存池控制块，它同时也接收用户线程的分配内存块申请，当获得这些信息后，内核就可以从内存池中为用