Keil C的应用动态存储管理的原理和实现方法分析

Keil C是常用的嵌入式系统编程工具，它通过init_mempool、mallloe、free等函数，提供了动态存储管理等功能。本文通过对init_mempool、mallloe和free这3个KeilC库函数源代码的分析，揭示其实现的原理和方法，并对其中的不足作了改进，以使Keil C编程人员更好地应用动态存储管理。

1 相关数据结构、变量及说明

在Keil C安装目录下的＼c5l＼lib目录下，有实现init_mempool、mallloe和free这3个函数的C源文件init_mere．c、malloc．e和free．c。下面针对keil C7．5A版，将其中与动态存储管理相关的数据结构介绍如下：

该结构的next指向堆中的下一空闲内存块，len表示该空闲块除去该块首部的struct__mem__结构所占的字节数后，该块实际可用的字节数。由于next是一个指向XDATA区的指针，故在Keil C中应用程序所定义的堆空间应在XDATA段中定义。

在Keil C中，堆中的所有空闲内存块是用一个单链表来管理的，struct_mere_即为该链表结点的结构，后面定义的宏AVAIL为该链表的首结点，为叙述方便，以下将该链表称为AVAIL链表。

#define AVAIL（__meM_avaiL_［O］）

全局数组__meM_ avail_实际也是struct__mem__类型，__mem_avail__［O］的next指向堆中首块空闲块。如果堆中已无空闲内存块，则__mem_avail__［0］的next为NULL（0值）。为使程序代码简洁，定义了宏AVAIL来代替__mem_avail__［O］。

2 init_mempool函数剖析

函数int_mempool（void_MALLOC_MEM_*pool，unsigned int size）失败时将返回0，成功则返回一1，参数pool指向应用程序定义的堆空间，参数size为堆空间的字节数。如果应用程序提供的堆空间太小（size的值太小），将失去实际意义，故函数将返回0表示失败。当size参数足够大，则会初始化AVAIL（即_mem_avail__［O］），使其next域指向pool参数所指向的堆空间，len域为pool参数所指向的堆空间的总字节数size。其在KeilC 7．5A库中init_mem．C的源代码如下：

在成功执行init_mempool函数后，将得到如图1所示的一个数据结构。另外，链首结点AVAIL的len域记录了整个堆的字节数。链首AVAIL结点的next域指向的是首块空闲块，当经过多次的malloe函数而堆中投有空闲内存块时，AVAIL结点的next域将为NULL值。

很明显，从上面的if（pool==NULL）{pool=1；size--；）这部分源代码来看，如果应用程序中pool参数为空指针（pool为0）时，显然不能直接将AVAIL，的next域的值赋为空指针的（即赋为O）。将pool的值改为1，再将size的值减l，这样，init_mempool函数会在XDATA区中，从地址l开始，取size一1个字节作为堆来使用。如果源程序有定义在XDATA区的变量，则这些变量所占的存储单元也可能会被当成堆空间的一部分，这无疑是有潜在风险的。

部分程序员在调用init_mempool函数时，习惯将pool参数设为一个形如0xAAAA数字表示的绝对地址，如果不加特别防范，也是不妥的，因为Keil C可能会在此方式指定的堆空间中分配临时变量。好的习惯是定义一个字节数组作为堆空间，再将数组名作为pool参数调用init_mempool函数。

在Keil C的联机文档中，指明了init_mempool在应用程序中只能被调用一次，那么，如果多次调用该函数又会有什么后果呢？从该函数的源代码来分析，多次调用init_mempoo1函数，会导致重新初始化首结点AVAIL的next域和len域的值，将使AVAIL链表中的原有管理信息丢失，从而导致一些很难诊断的问题。

对此问题，可采用如下保护措施。当发现AVAIL链表中已有管理信息时，则返回失败标志，函数直接返回。具体的方法是检查AVAIL结点的len域，由于其被初始化为零，如果发现其值非零，则表明init_mempool函数已被成功调用过，此时函数直接返回。

3 malloc函数分析

malloc函数的原形是void *malloc（unsigned intsize），size参数为需动态申请的内存块的字节数。

malloc函数的算法是查找AVAIL链表中各结点next指针所指向的空闲内存块。如果某块的空闲字节数≥size参数，则停止查找，并从该块进行内存分配，返回一个指向所分配内存块的指针给应用程序。如果没有找到符合要求的空闲内存块，则返回空指针给应用程序。

需要注意的是，AVAIL链表中除首结点AVAIL外，其余各节点位于堆中各空闲内存块开始处的一个struct__mem__结构中，其len域为该空闲块总字节数减去sizeof（stiuct__mem）后的值，即该块实际空闲的字节数；next域指向堆中下一空闲内存块。

设链表节点p指向所找到的空闲内存块，如果在p空闲块分配size个字节后，剩余的字节数不多，则将p块从AVAIL链表中删除，然后返回一个指向p块偏移sizeof（struct__mem）处的指针。如果在p空闲块分配size个字节后，该块仍剩余较多的字节数，则需对该块进行分割，将多出的这一部分保留在AVAIL链表中。（以下部分有省略，全文请见本刊网站——编者注）

4 free函数分析及改进

free函数的原形是void free（void xdata *memp），参数memp指向所要释放的内存块。

在AVAIL链表中，各结点是按其所指空闲内存块开始地址的大小按升序排列的。free函数的算法是在AVAIL链表中查一个节点p（其前驱为q），当p节点所指空问内存块的地址大于参数memp所指内存块的起始地址时，则将memp块插入到该节点之前，如没有找到这样的节点，则memp块插到链尾。在插入memp块时，还将检查在memp块的前后是否存在地址相邻的空闲内存块，如果有，则将memp块与相邻块合并。

值得探讨的是最后一段将memp块与前一块（q块）合并的这部分代码。如果在执行此部分代码之前，q指向首结点AVAIL，而此时欲将q块与memp块合并，显然是不合理的。实际上，此时应当将q的next指针的值设为memp块的开始地址p0。由于KeilC7．5A中，free库函数的源程序中没有考虑这种特殊情况，因此可能会引发严重后果。

由源代码分析可知，q指向首结点AVAIL，而此时如果满足。memp块与q块合并的判定条件，执行q＞1en+=p0一＞Len+HL，EN和q一＞next=pO一＞next后，不但不能回收内存，反而导致memp块丢失；同时，AVAIL的len域的值也不正确。如果此时pO一＞next又为NULL，则会导致整个堆内存的丢失。

笔者特在Keil C7．5 A版中设计了一个示例（见本刊网站），用于引发该错误。要防止这种错误，只需将if（（（（char_MALLOC_MEM_*）q）+q一＞len+HLEN）==pO）判定语句改为if（（q！=＆AVAIL）&&（（（char_MALLOC_MEM_*）q）+q一＞len+HLEN）==p0）即可。有兴趣的可通过电子邮件与笔者联系（[e-mail]）。

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