基于DWC_ether_qos的以太网驱动开发-LWIP的堆管理介绍

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基于DWC_ether_qos的以太网驱动开发-LWIP的堆管理介绍 (qq.com)

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一.前言

堆管理是重点的基础代码,需要重点关注，移植时也需要关注。所以这一篇就来讲讲LWIP的堆管理。

二.LWIP的堆管理实现

LWIP实现了内部的堆管理，这样无OS等环境也可以直接移植使用，不依赖系统的堆管理。

当然也可以配置为使用系统的堆管理。

源码位于mem.c，mem.h

如果使能MEM_LIBC_MALLOC则使用系统的堆管理接口

需要配置以下宏

mem_clib_free

mem_clib_malloc

mem_clib_calloc

默认是

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

如果使能MEM_USE_POOLS则使用内存池实现，这个上一篇已经讲解了。

否则使用mem.c的实现，我们重点关注这一部分。

三.堆的存储分配

如果没有定义LWIP_RAM_HEAP_POINTER则

mem.c中定义一个大数组LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED

大小是MEM_SIZE_ALIGNED + (2U * SIZEOF_STRUCT_MEM)

用户可用空间是#define MEM_SIZE_ALIGNED LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(MEM_SIZE)

即用户定义的MEM_SIZE，默认值是1600

/**

这里多分配了2U * SIZEOF_STRUCT_MEM是一方面多一个ram_end标记末尾,作为末尾的边界节点，一方面预留对齐的浪费空间。

用户也可以直接定义宏LWIP_RAM_HEAP_POINTER指定存储的位置。

个人觉得这里LWIP_RAM_HEAP_POINTER静态指定，改为指针变量，初始化变量值为LWIP_RAM_HEAP_POINTER，然后也可以通过接口设定会更好。这样用户可以根据实际情况动态分配出这部分存储来，否则静态分配，程序不运行也要占用空间比较浪费。

LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED

实现如下

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

四.源码分析

4.1数据结构

核心数据结构如下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

};

一个双向链表来实现,该结构体描述某一个区块,used表示当前区块是否使用。

Next和prev分别指向前后区块，用于入链表和出链表操作。

这里为什么没有描述本区块大小的字段呢?

因为可以直接从next减去当前区块的基地址得到,所以不需要额外的大小信息了。

比如当前区块基地址是ptr则当前区块可用于分配的有效空间如下计算

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

即后一个区块的开始的地址-本区块开始地址-信息头。

这个实现其实和uCOS的堆管理实现差不多。

4.2接口

mem_init

初始化时,初始全局变量ram即对齐后的存储空间,

lfree指向空闲块的开头，初始化时为ram,

lfree始终用于指向未分配的区块。

此时只有一个整的未分配的区块,next指向MEM_SIZE后,

MEM_SIZE外ram_end用于标记结束，这也是之前存储多分配的原因。

mem_malloc/mem_calloc

分配算法核心思想如下,

从lfree开始查找空闲空间大于等于需求size的块。

如果找到了就分配它。

这里有一个处理,如果本块比较大,则分配了size后还有剩余,所以要拆分,即分配出size后剩余的部分成为空闲块。

这个到底多大要拆分，标准是大于等于(size + SIZEOF_STRUCT_MEM + MIN_SIZE_ALIGNED)拆分，即可用空间是MIN_SIZE_ALIGNED才拆分。

分配完后，如果分配出的块刚好是lfree位置,则要更新lfree指向后续空闲块。

因为lfree始终是指向的空闲块，即lfree链接起来的都是空闲块。分配出的块就从lfree中去掉了。

比如分配黄色空间后如下

注意返回的是结构体之后的可用空间部分。

mem_free

将区块链接到lfree空闲块中去,如果该块前后为空闲则和前后拼接成大的空闲块。

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

先偏移结构到块头。

如果mem小于lfree则要更新lfree为mem。

核心处理是plug_holes，判断mem前后是否空闲，如果是空闲则和前后合并。

mem_trim

缩小

如果本块缩小后剩余的空间不够SIZEOF_STRUCT_MEM + MIN_SIZE_ALIGNED，则没有必要缩小，不处理。

如果缩小后剩余空间大于上述大小则看next是否空闲如果是则和next合并，否则单独独立出来一个空闲块。

五.总结

LWIP实现了小型的堆管理,这样无OS也可以直接移植使用,另外也可以配置为实用内存池和系统实现，比较灵活。

审核编辑 黄宇