LiteOS内核源码分析：静态内存Static Memory

摘要：本文带领大家一起剖析了LiteOS静态内存模块的源代码，包含静态内存的结构体、静态内存池初始化、静态内存申请、释放、清除内容等。

本文分享自华为云社区《LiteOS内核源码分析系列十二静态内存Static Memory》，原文作者：zhushy 。

内存管理模块管理系统的内存资源，它是操作系统的核心模块之一，主要包括内存的初始化、分配以及释放。

在系统运行过程中，内存管理模块通过对内存的申请/释放来管理用户和OS对内存的使用，使内存的利用率和使用效率达到最优，同时最大限度地解决系统的内存碎片问题。

Huawei LiteOS的内存管理分为静态内存管理和动态内存管理，提供内存初始化、分配、释放等功能。

动态内存：在动态内存池中分配用户指定大小的内存块。
- 优点：按需分配。
- 缺点：内存池中可能出现碎片。
静态内存：在静态内存池中分配用户初始化时预设（固定）大小的内存块。
- 优点：分配和释放效率高，静态内存池中无碎片。
- 缺点：只能申请到初始化预设大小的内存块，不能按需申请。

本文主要分析LiteOS静态内存（Memory Box），后续系列会继续分析动态内存。静态内存实质上是一个静态数组，静态内存池内的块大小在初始化时设定，初始化后块大小不可变更。静态内存池由一个控制块和若干相同大小的内存块构成。控制块位于内存池头部，用于内存块管理。内存块的申请和释放以块大小为粒度。

本文通过分析LiteOS静态内存模块的源码，帮助读者掌握静态内存的使用。LiteOS静态内存模块的源代码，均可以在LiteOS开源站点https://gitee.com/LiteOS/LiteOS 获取。静态内存源代码、开发文档，示例程序代码如下：

LiteOS内核静态内存源代码

包括静态内存的私有头文件kernel/base/include/los_membox_pri.h、头文件kernel/include/los_membox.h、C源代码文件kernel/base/mem/membox/los_membox.c。

开发指南文档–内存

在线文档https://gitee.com/LiteOS/LiteOS/blob/master/doc/LiteOS_Kernel_Developer_Guide.md#%E5%86%85%E5%AD%98。

接下来，我们看下静态内存的结构体，静态内存初始化，静态内存常用操作的源代码。

1、静态内存结构体定义和常用宏定义

1.1 静态内存结构体定义

在文件kernel/include/los_membox.h中，定义静态内存池信息结构体为LOS_MEMBOX_INFO，静态内存节点LOS_MEMBOX_NODE结构体，源代码如下，结构体成员的解释见注释部分。

typedef struct tagMEMBOX_NODE {
    struct tagMEMBOX_NODE *pstNext; /**< 静态内存池中空闲节点指针，指向下一个空闲节点 */
} LOS_MEMBOX_NODE;

typedef struct {
    UINT32 uwBlkSize;           /**< 静态内存池的内存块大小 */
    UINT32 uwBlkNum;            /**< 静态内存池的内存块总数量 */
    UINT32 uwBlkCnt;            /**< 静态内存池的已分配的内存块总数量 */
#ifdef LOSCFG_KERNEL_MEMBOX_STATIC
    LOS_MEMBOX_NODE stFreeList; /**< 静态内存池的空闲内存块单向链表 */
#endif
} LOS_MEMBOX_INFO;

对静态内存使用如下示意图进行说明，对一块静态内存区域，头部是LOS_MEMBOX_INFO信息，接着是各个内存块，每块内存块大小是uwBlkSize，包含内存块节点LOS_MEMBOX_NODE和内存块数据区。空闲内存块节点指向下一块空闲内存块节点。

1.2 静态内存常用宏定义

静态内存头文件中还提供了一些重要的宏定义。⑴处的LOS_MEMBOX_ALLIGNED(memAddr)用于对齐内存地址，⑵处OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize)根据当前节点内存地址addr和内存块大小blkSize获取下一个内存块的内存地址。⑶处OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE表示内存块中节点头大小，每个内存块包含内存节点LOS_MEMBOX_NODE和存放业务的数据区。⑷处表示静态内存的总大小，包含内存池信息结构体占用的大小，和各个内存块占用的大小。

⑴  #define LOS_MEMBOX_ALLIGNED(memAddr) (((UINTPTR)(memAddr) + sizeof(UINTPTR) - 1) & (~(sizeof(UINTPTR) - 1)))

⑵  #define OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize) (LOS_MEMBOX_NODE *)(VOID *)((UINT8 *)(addr) + (blkSize))

⑶  #define OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE sizeof(LOS_MEMBOX_NODE)

⑷  #define LOS_MEMBOX_SIZE(blkSize, blkNum) /
        (sizeof(LOS_MEMBOX_INFO) + (LOS_MEMBOX_ALLIGNED((blkSize) + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE) * (blkNum)))

在文件kernel/base/mem/membox/los_membox.c中也定义了一些宏。OS_MEMBOX_MAGIC定义魔术字，⑴处宏在内存块节点从静态内存池中分配出来后，节点指针.pstNext不再指向下一个空闲内存块节点，而是设置为魔术字。⑵处的宏用于校验魔术字。⑶处根据内存块的节点地址获取内存块的数据区地址，⑷处根据内存块的数据区地址获取内存块的节点地址。

    #define OS_MEMBOX_MAGIC 0xa55a5aa5

⑴  #define OS_MEMBOX_SET_MAGIC(addr) /
        ((LOS_MEMBOX_NODE *)(addr))->pstNext = (LOS_MEMBOX_NODE *)OS_MEMBOX_MAGIC

⑵  #define OS_MEMBOX_CHECK_MAGIC(addr) /
        ((((LOS_MEMBOX_NODE *)(addr))->pstNext == (LOS_MEMBOX_NODE *)OS_MEMBOX_MAGIC) ? LOS_OK : LOS_NOK)

⑶  #define OS_MEMBOX_USER_ADDR(addr) /
        ((VOID *)((UINT8 *)(addr) + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE))

⑷  #define OS_MEMBOX_NODE_ADDR(addr) /
        ((LOS_MEMBOX_NODE *)(VOID *)((UINT8 *)(addr) - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE))

2、静态内存常用操作

当用户需要使用固定长度的内存时，可以通过静态内存分配的方式获取内存，一旦使用完毕，通过静态内存释放函数归还所占用内存，使之可以重复使用。

2.1 初始化静态内存池

我们分析下初始化静态内存池函数UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize)的代码。我们先看看函数参数，VOID *pool是静态内存池的起始地址，UINT32 poolSize是初始化的静态内存池的总大小，poolSize需要小于等于*pool开始的内存区域的大小，否则会影响后面的内存区域。还需要大于静态内存的头部大小sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)。长度UINT32 blkSize是静态内存池中的每个内存块的块大小。

我们看下代码，⑴处对传入参数进行校验。⑵处设置静态内存池中每个内存块的实际大小，已内存对齐，也算上内存块中节点信息。⑶处计算内存池中内存块的总数量，然后设置已用内存块数量.uwBlkCnt为0。⑷处如果可用的内存块为0，返回初始化失败。⑸处获取内存池中的第一个空闲内存块节点。⑹处把空闲内存块挂载在静态内存池信息结构体空闲内存块链表stFreeList.pstNext上，然后每个空闲内存块依次指向下一个空闲内存块，链接起来。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize)
{
    LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
    LOS_MEMBOX_NODE *node = NULL;
    UINT32 index;
    UINT32 intSave;

⑴  if (pool == NULL) {
        return LOS_NOK;
    }

    if (blkSize == 0) {
        return LOS_NOK;
    }

    if (poolSize < sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)) {
        return LOS_NOK;
    }

    MEMBOX_LOCK(intSave);
⑵  boxInfo->uwBlkSize = LOS_MEMBOX_ALLIGNED(blkSize + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE);
⑶  boxInfo->uwBlkNum = (poolSize - sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)) / boxInfo->uwBlkSize;
    boxInfo->uwBlkCnt = 0;
⑷  if ((boxInfo->uwBlkNum == 0) || (boxInfo->uwBlkSize < blkSize)) {
        MEMBOX_UNLOCK(intSave);
        return LOS_NOK;
    }

⑸  node = (LOS_MEMBOX_NODE *)(boxInfo + 1);

⑹  boxInfo->stFreeList.pstNext = node;

    for (index = 0; index < (boxInfo->uwBlkNum - 1); ++index) {
        node->pstNext = OS_MEMBOX_NEXT(node, boxInfo->uwBlkSize);
        node = node->pstNext;
    }

    node->pstNext = NULL;

    MEMBOX_UNLOCK(intSave);

    return LOS_OK;
}

2.2 清除静态内存块内容

我们可以使用函数VOID LOS_MemboxClr(VOID *pool, VOID *box)来清除静态内存块内容，需要2个参数，VOID *pool是初始化过的静态内存池地址。VOID *box是需要清除内容的静态内存块的数据区的起始地址，注意这个不是内存块的节点地址，每个内存块的节点区不能清除。下面分析下源码。

⑴处对参数进行校验，⑵处调用memset_s()函数把内存块的数据区写入0。写入的开始地址是内存块的数据区的起始地址VOID *box，写入长度是数据区的长度boxInfo->uwBlkSize – OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID LOS_MemboxClr(VOID *pool, VOID *box)
{
    LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
    UINT32 intSave;

⑴  if ((pool == NULL) || (box == NULL)) {
        return;
    }

    MEMBOX_LOCK(intSave);
⑵  (VOID)memset_s(box, (boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE), 0,
        (boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE));
    MEMBOX_UNLOCK(intSave);
}

2.3 申请、释放静态内存

初始化静态内存池后，我们可以使用函数VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pool)来申请静态内存，下面分析下源码。

⑴处获取静态内存池空闲内存块链表头结点，如果链表不为空，执行⑵，把下一个可用节点赋值给nodeTmp。⑶处把链表头结点执行下一个的下一个链表节点，然后执行⑷把分配出来的内存块设置魔术字，接着把内存池已用内存块数量加1。⑸处返回时调用宏OS_MEMBOX_USER_ADDR()计算出内存块的数据区域地质。

LITE_OS_SEC_TEXT VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pool)
{
    LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
    LOS_MEMBOX_NODE *node = NULL;
    LOS_MEMBOX_NODE *nodeTmp = NULL;
    UINT32 intSave;

    if (pool == NULL) {
        return NULL;
    }

    MEMBOX_LOCK(intSave);
⑴  node = &(boxInfo->stFreeList);
    if (node->pstNext != NULL) {
⑵      nodeTmp = node->pstNext;
⑶      node->pstNext = nodeTmp->pstNext;
⑷      OS_MEMBOX_SET_MAGIC(nodeTmp);
        boxInfo->uwBlkCnt++;
    }
    MEMBOX_UNLOCK(intSave);

⑸   return (nodeTmp == NULL) ? NULL : OS_MEMBOX_USER_ADDR(nodeTmp);
}

对申请的内存块使用完毕，我们可以使用函数UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pool, VOID *box)来释放静态内存，需要2个参数，VOID *pool是初始化过的静态内存池地址。VOID *box是需要释放的静态内存块的数据区的起始地址，注意这个不是内存块的节点地址。下面分析下源码。

⑴处根据待释放的内存块的数据区域地址获取节点地址node，⑵对要释放的内存块先进行校验。⑶处把要释放的内存块挂在内存池空闲内存块链表上，然后执行⑷把已用数量减1。

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pool, VOID *box)
{
    LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool;
    UINT32 ret = LOS_NOK;
    UINT32 intSave;

    if ((pool == NULL) || (box == NULL)) {
        return LOS_NOK;
    }

    MEMBOX_LOCK(intSave);
    do {
⑴      LOS_MEMBOX_NODE *node = OS_MEMBOX_NODE_ADDR(box);
⑵      if (OsCheckBoxMem(boxInfo, node) != LOS_OK) {
            break;
        }

⑶      node->pstNext = boxInfo->stFreeList.pstNext;
        boxInfo->stFreeList.pstNext = node;
⑷      boxInfo->uwBlkCnt--;
        ret = LOS_OK;
    } while (0);
    MEMBOX_UNLOCK(intSave);

    return ret;
}

接下来，我们再看看校验函数OsCheckBoxMem()。⑴如果内存池的块大小为0，返回校验失败。⑵处计算出要释放的内存快节点相对第一个内存块节点的偏移量offset。⑶如果偏移量除以内存块数量余数不为0，返回校验失败。⑷如果偏移量除以内存块数量的商大于等于内存块的数量，返回校验失败。⑸调用宏OS_MEMBOX_CHECK_MAGIC校验魔术字。

STATIC INLINE UINT32 OsCheckBoxMem(const LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo, const VOID *node)
{
    UINT32 offset;

⑴  if (boxInfo->uwBlkSize == 0) {
        return LOS_NOK;
    }

⑵  offset = (UINT32)((UINTPTR)node - (UINTPTR)(boxInfo + 1));
⑶  if ((offset % boxInfo->uwBlkSize) != 0) {
        return LOS_NOK;
    }

⑷  if ((offset / boxInfo->uwBlkSize) >= boxInfo->uwBlkNum) {
        return LOS_NOK;
    }

⑸   return OS_MEMBOX_CHECK_MAGIC(node);
}

3、Membox管理算法

Membox内存管理，支持静态内存和动态内存，二选一，分别由宏开关LOSCFG_KERNEL_MEMBOX_STATIC和LOSCFG_KERNEL_MEMBOX_DYNAMIC进行控制。
Membox静态内存是默认算法，需要开发者提供一个栈中的静态内存区域；Membox动态内存支持从堆里动态分配内存，相应的内存代码在kernel/base/mem/membox/los_membox_dyn.c，代码比较简单，读者们自行阅读即可。

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