內(nèi)存池方式的內(nèi)存管理是一種可計量、高效的內(nèi)存管理方式，它具有減少內(nèi)存碎片、提高分配速度、防止內(nèi)存泄漏等優(yōu)勢[1]。目前在國內(nèi)基于內(nèi)核的內(nèi)存池大多基于Linux內(nèi)核[2]。本文主要基于Nucleus操作系統(tǒng)內(nèi)核來介紹內(nèi)存池靜態(tài)與動態(tài)分配在TD-LTE無線綜合測試儀移植中的研究與應(yīng)用，闡述了在不同分配方式中的內(nèi)存池結(jié)構(gòu)、分配算法以及適用環(huán)境。

1 靜態(tài)方式分配內(nèi)存池
    靜態(tài)內(nèi)存池管理方式中內(nèi)存池分為池(pool)和塊(partition)。之所以稱之為靜態(tài)管理方式，是因為在使用過程中塊的大小是固定的(即在創(chuàng)建過程中塊大小是確定的)。靜態(tài)內(nèi)存池的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，池和塊都有自己的頭，池是由雙向循環(huán)鏈表鏈接而成，塊是由單向鏈表鏈接而成，每一塊的頭中還包含了自己屬于哪一個池的屬性?？捎脡K的信息以單向鏈表的形式存儲于池頭中，并且可用塊與已經(jīng)分配的塊的個數(shù)都在池頭中有記錄。

1.1 靜態(tài)內(nèi)存池的創(chuàng)建
    池頭中的主要參數(shù)包括內(nèi)存池控制塊指針、內(nèi)存池名（只取8個字符）、起始地址、內(nèi)存池總大小（字節(jié)為單位）、內(nèi)存池分塊大?。ㄗ止?jié)為單位）、掛起方式（先進(jìn)先出或按優(yōu)先級）等，圖2是仿真器上運行過程中靜態(tài)內(nèi)存池結(jié)構(gòu)體截圖。
    對圖2中兩個結(jié)構(gòu)體鏈表參數(shù)說明如下：(1)pm_created：當(dāng)前已經(jīng)創(chuàng)建的內(nèi)存池，采用雙向循環(huán)鏈表連接，插入方式是在最后一個節(jié)點和首節(jié)點間填充；(2)pm_available_list：存儲當(dāng)前還可用partition的鏈表，結(jié)構(gòu)與塊的頭部結(jié)構(gòu)header_ptr相同（PM_OVERHEAD=8 B小塊的頭header_ptr：單向鏈表，內(nèi)部有指向下一小塊的指針和所屬大塊的控制塊地址）。

    在Nucleus內(nèi)核中，內(nèi)存池的創(chuàng)建主要由函數(shù)PMC_Create_Partition_Pool負(fù)責(zé)，創(chuàng)建流程如下：調(diào)用過程中首先進(jìn)行參數(shù)合法性檢測；然后在池頭（控制塊）中寫入各個參數(shù)，創(chuàng)建鏈表；之后是一個重要的循環(huán)體，負(fù)責(zé)初始化partition鏈表，分配所有的partition，每個partition的大小在分配時需要在函數(shù)傳入?yún)?shù)值的基礎(chǔ)上加8 B，用來存儲header_ptr；最后在內(nèi)存池線程保護(hù)后將新的內(nèi)存池插入內(nèi)存池鏈表并計數(shù)。
1.2 靜態(tài)內(nèi)存池的分配
    在TD-LTE無線綜合測試儀中分配前由協(xié)議棧提供所需要分配的大小，這里主要是放置協(xié)議內(nèi)部配置信息與層間交互原語。由于這些信息的大小固定，只是有幾種不同大小的固定模式，所以很適合采用靜態(tài)分配的方式來分配內(nèi)存，只需要根據(jù)數(shù)據(jù)大小選擇密度合適的內(nèi)存池即可。移植過程中使用了不同大小的partition構(gòu)建不同密度的內(nèi)存池，因此，可根據(jù)申請partition的大小來判定用那種密度的內(nèi)存池，以減少內(nèi)部碎片的大小。這種方法可以有效避免空間浪費[3]，同時又可提高分配效率。
    在Nucleus內(nèi)核中靜態(tài)內(nèi)存池的分配主要由函數(shù)PMC_Allocate_Partition負(fù)責(zé)，其主要參數(shù)為內(nèi)存池指針（指向調(diào)用的內(nèi)存指針，不能為NULL，設(shè)置為可用內(nèi)存地址即可）、分配大小和掛起標(biāo)志位。函數(shù)中主要判斷內(nèi)存池指針是否合法、內(nèi)存池與partition是否匹配、指向調(diào)用的內(nèi)存指針是否合法、任務(wù)掛起標(biāo)志位是否有效。其分配流程如圖3所示。過程如下：調(diào)用內(nèi)核函數(shù)TCT_System_Protect(TCT_Protect)保護(hù)內(nèi)存池同步互斥通道。判斷是否還有可用partition，若有，則將可用數(shù)量減1、分配數(shù)量加1并更新pm_available_list以及將指向調(diào)用內(nèi)存指針賦值為當(dāng)前分配的partition地址(partition地址要+8 B刪去頭)；若沒有，則將任務(wù)掛起直至有可用Partition才恢復(fù)。最后解保護(hù)并返回。

1.3 靜態(tài)內(nèi)存池的釋放
    系統(tǒng)采用PMC_Deallocate_Partition函數(shù)來完成釋放。流程如下：調(diào)用內(nèi)核函數(shù)保護(hù)內(nèi)存池同步互斥通道。判斷是否有等待任務(wù)，若有，則分配給這個任務(wù)當(dāng)前partition，再判斷當(dāng)前任務(wù)是否允許被搶占，允許就調(diào)用TCT_Control_To_System搶占當(dāng)前任務(wù)、激活等待內(nèi)存的任務(wù)；若沒有，則等待任務(wù)，將當(dāng)前partition重新接入到可用partition列表的頭部。最后調(diào)用TCT_Unprotect解保護(hù)。
2 動態(tài)方式分配內(nèi)存池
    動態(tài)內(nèi)存池也分為池和塊兩個部分，動態(tài)池直接由雙向循環(huán)鏈表實現(xiàn)連接。內(nèi)部塊是動態(tài)分配的，由最小可分配空間來限制塊的最小值。與靜態(tài)分配不同，動態(tài)分配塊也由雙向循環(huán)鏈表來鏈接。創(chuàng)建時的初始結(jié)構(gòu)為兩個塊，在申請時動態(tài)分割。圖4是仿真器上運行過程中動態(tài)內(nèi)存池與塊的結(jié)構(gòu)體截圖。

    池控制塊結(jié)構(gòu)中dm_memory_list與塊頭結(jié)構(gòu)體相同，池通過dm_memory_list來完成塊搜索；塊頭結(jié)構(gòu)中dm_memory_pool與大塊頭結(jié)構(gòu)相同，通過它來比配大塊。
2.1 動態(tài)內(nèi)存池的創(chuàng)建
    初始化完成時的內(nèi)存結(jié)構(gòu)：初始化創(chuàng)建完成時內(nèi)存池中有2個塊，1個大小為總大小減去32 B，包含自己的頭DM_OVERHEAD=16 B，設(shè)置為可以狀態(tài)free=‘0x01’；1個大小為16 B，只有自己的頭，沒有空間，設(shè)置為不可以狀態(tài)free=‘0x00’。因此，此時的可用空間為除去池的控制塊外的總大小減去32 B。初始化結(jié)構(gòu)如圖5所示（沒有將池控制塊表示出來）。

    創(chuàng)建時，首先為控制塊指針賦值，內(nèi)存池大小與最小分區(qū)大小進(jìn)行字對齊校正；判斷控制塊指針、起始地址、最小分配空間、掛起標(biāo)志是否合法。創(chuàng)建過程如下：初始化控制塊中的各個參數(shù)，并按圖5初始化小塊、創(chuàng)建小塊雙向循環(huán)鏈表，與靜態(tài)分配相同需要先進(jìn)行線程保護(hù)再加入到池動態(tài)內(nèi)存池鏈表。
2.2 動態(tài)內(nèi)存池的申請
    動態(tài)申請主要用于操作系統(tǒng)內(nèi)模塊(如任務(wù)、隊列等)的堆棧分配與模塊占用空間的分配。由于在TD-LTE無線綜合測試儀中這些分配的空間大小浮動不定，因此需要使用動態(tài)分配內(nèi)存。Nucleus中動態(tài)分配采用首次匹配原則，每一次申請內(nèi)存時動態(tài)分配申請大小加16 B(這個16 B的頭對應(yīng)剩下的可用空間)的內(nèi)存池空間，并把分配過的部分設(shè)置為不可用狀態(tài)free=‘0x00’。
    負(fù)責(zé)實現(xiàn)的函數(shù)是DMC_Allocate_Memory。首先進(jìn)行各種參數(shù)的合法性檢測，然后將分配空間size小于最小分配空間的分配空間大小賦值為最小空間，對size進(jìn)行字對齊處理，調(diào)用線程保護(hù)后采用首先匹配法來找適用空間，即：在循環(huán)體中先判斷free標(biāo)志，是空閑塊(free=‘0x01’)，則算出減去本次分配的頭后所剩的空間，當(dāng)此空間大于本次請求size時進(jìn)行分配，小于時則移動到下一個塊；若不是空閑塊，則直接把剩余空間設(shè)置為0進(jìn)行后面小于size時移動到下一個塊的判斷。注意：這里用到了控制塊中的dm_search_ptr屬性（結(jié)構(gòu)與小塊的頭相同），該屬性用于記錄開始匹配的起始位置，作為判斷循環(huán)體結(jié)束的條件之一，如果循環(huán)到此處，就表示沒有找到可分配空間。圖6是動態(tài)分配的流程圖。

    循環(huán)結(jié)束后判斷是否找到可用于分配的塊，若找到則進(jìn)行是否需要分割該可用塊的判斷。條件是這個可用塊的大小大于或等于本次所需空間size+頭大小+最小分配空間的值，若滿足此條件則分割出一個新塊并對其加頭初始化，再計算出剩余可用空間；不滿足此條件則直接計算剩余可用空間。分配的空間標(biāo)志為非空閑后，把所分配空間的地址賦給指向調(diào)用的內(nèi)存指針（注意去頭）。為提高效率，還需要進(jìn)行一個簡單處理，即判斷如果在搜索塊時一次性匹配成功，則將dm_search_ptr移向下一個塊。
    如果沒有找到可用塊則將任務(wù)掛起等待，沒有采用掛起模式則直接返回NULL給指向調(diào)用的內(nèi)存指針，最后調(diào)用TCT_Unprotect解保護(hù)。圖7是分配第一塊內(nèi)存后動態(tài)內(nèi)存池的結(jié)構(gòu)。

2.3 動態(tài)內(nèi)存池的釋放
    釋放過程與靜態(tài)類似，需要注意的是，如果相鄰塊有空閑塊需要合并，則合并后把dm_search_ptr指向當(dāng)前合并的空閑塊。
    動態(tài)分配內(nèi)存的算法復(fù)雜度要高于靜態(tài)分配，從時間復(fù)雜度來看，靜態(tài)分配是O(1)、動態(tài)是O(n)。但是動態(tài)分配的內(nèi)存利用率要高于靜態(tài)分配內(nèi)存[5]，在實際應(yīng)用中要結(jié)合具體情況決定采用何種分配方式。在本設(shè)計中合理使用了兩種分配方式：在靜態(tài)分配中進(jìn)行密度的動態(tài)判斷，在動態(tài)分配中進(jìn)行靜態(tài)的最小分配大小匹配。動、靜相結(jié)合，使操作系統(tǒng)在分配中盡可能地節(jié)約內(nèi)存的同時，有效減少了內(nèi)存碎片。本分配方式已經(jīng)運用于TD-LTE無線綜合測試儀中，在實現(xiàn)操作系統(tǒng)基本內(nèi)存管理功能的同時，滿足了TD-LTE無線綜合測試儀對系統(tǒng)內(nèi)存資源和調(diào)度時間的設(shè)計要求。
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