基于DWC_ether_qos的以太網驅動開發-LWIP的堆管理介紹

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基于DWC_ether_qos的以太網驅動開發-LWIP的堆管理介紹 (qq.com)

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一.前言

堆管理是重點的基礎代碼,需要重點關注，移植時也需要關注。所以這一篇就來講講LWIP的堆管理。

二.LWIP的堆管理實現

LWIP實現了內部的堆管理，這樣無OS等環境也可以直接移植使用，不依賴系統的堆管理。

當然也可以配置為使用系統的堆管理。

源碼位于mem.c，mem.h

如果使能MEM_LIBC_MALLOC則使用系統的堆管理接口

需要配置以下宏

mem_clib_free

mem_clib_malloc

mem_clib_calloc

默認是

/* in case C library malloc() needs extra protection,

如果使能MEM_USE_POOLS則使用內存池實現，這個上一篇已經講解了。

否則使用mem.c的實現，我們重點關注這一部分。

三.堆的存儲分配

如果沒有定義LWIP_RAM_HEAP_POINTER則

mem.c中定義一個大數組LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED

大小是MEM_SIZE_ALIGNED + (2U * SIZEOF_STRUCT_MEM)

用戶可用空間是#define MEM_SIZE_ALIGNED LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(MEM_SIZE)

即用戶定義的MEM_SIZE，默認值是1600

/**

這里多分配了2U * SIZEOF_STRUCT_MEM是一方面多一個ram_end標記末尾,作為末尾的邊界節點，一方面預留對齊的浪費空間。

用戶也可以直接定義宏LWIP_RAM_HEAP_POINTER指定存儲的位置。

個人覺得這里LWIP_RAM_HEAP_POINTER靜態指定，改為指針變量，初始化變量值為LWIP_RAM_HEAP_POINTER，然后也可以通過接口設定會更好。這樣用戶可以根據實際情況動態分配出這部分存儲來，否則靜態分配，程序不運行也要占用空間比較浪費。

LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED

實現如下

/** If you want to relocate the heap to external memory, simply define

四.源碼分析

4.1數據結構

核心數據結構如下struct mem

/**

* The heap is made up as a list of structs of this type.

* This does not have to be aligned since for getting its size,

* we only use the macro SIZEOF_STRUCT_MEM, which automatically aligns.

*/

struct mem {

/** index (-> ram[next]) of the next struct */

mem_size_t next;

/** index (-> ram[prev]) of the previous struct */

mem_size_t prev;

/** 1: this area is used; 0: this area is unused */

u8_t used;

#if MEM_OVERFLOW_CHECK

/** this keeps track of the user allocation size for guard checks */

mem_size_t user_size;

#endif

};

一個雙向鏈表來實現,該結構體描述某一個區塊,used表示當前區塊是否使用。

Next和prev分別指向前后區塊，用于入鏈表和出鏈表操作。

這里為什么沒有描述本區塊大小的字段呢?

因為可以直接從next減去當前區塊的基地址得到,所以不需要額外的大小信息了。

比如當前區塊基地址是ptr則當前區塊可用于分配的有效空間如下計算

(mem->next - (ptr + SIZEOF_STRUCT_MEM))

即后一個區塊的開始的地址-本區塊開始地址-信息頭。

這個實現其實和uCOS的堆管理實現差不多。

4.2接口

mem_init

初始化時,初始全局變量ram即對齊后的存儲空間,

lfree指向空閑塊的開頭，初始化時為ram,

lfree始終用于指向未分配的區塊。

此時只有一個整的未分配的區塊,next指向MEM_SIZE后,

MEM_SIZE外ram_end用于標記結束，這也是之前存儲多分配的原因。

mem_malloc/mem_calloc

分配算法核心思想如下,

從lfree開始查找空閑空間大于等于需求size的塊。

如果找到了就分配它。

這里有一個處理,如果本塊比較大,則分配了size后還有剩余,所以要拆分,即分配出size后剩余的部分成為空閑塊。

這個到底多大要拆分，標準是大于等于(size + SIZEOF_STRUCT_MEM + MIN_SIZE_ALIGNED)拆分，即可用空間是MIN_SIZE_ALIGNED才拆分。

分配完后，如果分配出的塊剛好是lfree位置,則要更新lfree指向后續空閑塊。

因為lfree始終是指向的空閑塊，即lfree鏈接起來的都是空閑塊。分配出的塊就從lfree中去掉了。

比如分配黃色空間后如下

注意返回的是結構體之后的可用空間部分。

mem_free

將區塊鏈接到lfree空閑塊中去,如果該塊前后為空閑則和前后拼接成大的空閑塊。

mem = (struct mem *)(void *)((u8_t *)rmem - (SIZEOF_STRUCT_MEM + MEM_SANITY_OFFSET));

先偏移結構到塊頭。

如果mem小于lfree則要更新lfree為mem。

核心處理是plug_holes，判斷mem前后是否空閑，如果是空閑則和前后合并。

mem_trim

縮小

如果本塊縮小后剩余的空間不夠SIZEOF_STRUCT_MEM + MIN_SIZE_ALIGNED，則沒有必要縮小，不處理。

如果縮小后剩余空間大于上述大小則看next是否空閑如果是則和next合并，否則單獨獨立出來一個空閑塊。

五.總結

LWIP實現了小型的堆管理,這樣無OS也可以直接移植使用,另外也可以配置為實用內存池和系統實現，比較靈活。

審核編輯 黃宇