RT-Thread 内存管理（学习二）

news2024/12/25 9:39:49

内存堆管理应用示例

这是一个内存堆的应用示例，这个程序会创建一个动态的线程，这个线程会动态申请内存并释放，每次申请更大的内存，当申请不到的时候就结束。

#include <rtthread.h>

#define THREAD_PRIORITY      25
#define THREAD_STACK_SIZE    512
#define THREAD_TIMESLICE     5

/* 线程入口 */
void thread1_entry(void *parameter)
{
    int i;
    char *ptr = RT_NULL; /* 内存块的指针 */

    for (i = 0; ; i++)
    {
        /* 每次分配 (1 << i) 大小字节数的内存空间 */
        ptr = rt_malloc(1 << i);

        /* 如果分配成功 */
        if (ptr != RT_NULL)
        {
            rt_kprintf("get memory :%d byte\n", (1 << i));
            /* 释放内存块 */
            rt_free(ptr);
            rt_kprintf("free memory :%d byte\n", (1 << i));
            ptr = RT_NULL;
        }
        else
        {
            rt_kprintf("try to get %d byte memory failed!\n", (1 << i));
            return;
        }
    }
}

int dynmem_sample(void)
{
    rt_thread_t tid = RT_NULL;

    /* 创建线程 1 */
    tid = rt_thread_create("thread1",
                           thread1_entry, RT_NULL,
                           THREAD_STACK_SIZE,
                           THREAD_PRIORITY,
                           THREAD_TIMESLICE);
    if (tid != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid);

    return 0;
}
/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(dynmem_sample, dynmem sample);

内存池

内存堆管理器可以分配任意大小的内存块，非常灵活和方便。
但其也存在明显的缺点：

分配效率不高，在每次分配时，都要在空闲内存块查找。
容易产生内存碎片。

为了提高内存分配的效率，并且避免内存碎片，RT-Thread提供了另外一种内存管理方法：内存池（Memory Pool）。

内存池是一种内存分配方式，用于分配大量大小相同的小内存块，它可以极大加快内存分配与释放的速度，且能尽量避免内存碎片化。
此外，RT-Thread的内存池支持线程挂起功能，当内存池中无空闲内存块时，申请线程会被挂起，直到内存池中有新的可用内存块，再将挂起的申请线程唤醒。

内存池的线程挂起功能非常适合需要通过内存资源进行同步的场景，例如播放音乐时，播放器线程会对音乐文件进行解码，然后发送到声卡驱动，从而驱动硬件播放音乐。

在这里插入图片描述

当播放器线程需要解码数据时，就会向内存池请求内存块，如果内存块已经用完，线程将被挂起，否则它将获得内存块以放置解码的数据。
播放器线程把包含解码数据的内存块写入到声卡抽象设备中（线程会立刻返回，继续解码出更多的数据）。
当声卡设备写入完成后，将调用播放器线程设置的回调函数，释放写入的内存块，如果在此之前，播放器线程因为把内存池里的内存块都用完而被挂起的话，那么这时它将被将唤醒，并继续进行解码。

内存池控制块

内存池控制块是操作系统用于管理内存池的一个数据结构，它会存放内存池的一些信息，例如内存块数据区域开始地址，内存块大小和内存块列表等，也包含内存块与内存块之间连接用的链表结构，因内存块不可用而挂起的线程等待事件集合等。

struct rt_mempool
{
	struct rt_object parent;
	void *start_address; //内存池数据区域开始地址
	rt_size_t size;  	//内存池数据区域大小
	rt_size_t block_size; //内存块大小
	rt_uint8_t *block_list; //内存块列表
	/* 内存池数据区域中能够容纳的最大内存块数  */
    rt_size_t     block_total_count;
    /* 内存池中空闲的内存块数  */
    rt_size_t     block_free_count;
    /* 因为内存块不可用而挂起的线程列表 */
    rt_list_t     suspend_thread;
    /* 因为内存块不可用而挂起的线程数 */
    rt_size_t     suspend_thread_count;
};

typedef struct rt_mempool* rt_mp_t;

内存块分配机制

内存池在创建时先向系统申请一大块内存，然后分成同样大小的多个小内存块，小内存块直接通过链表连接起来（此链表也称为空闲链表）。
每次分配的时候，从空闲链表中取出链头上第一个内存块，提供给申请者。
物理内存中允许存在多个大小不同的内存池，每一个内存池又由多个空闲内存块组成，内核用它们来进行内存管理。
当一个内存池对象被创建时，内存池对象就被分配给了一个内存池控制块，内存池控制块的参数包括内存池名，内存缓冲区，内存块大小，块数以及一个线程等待队列。

在这里插入图片描述
内核负责给内存池分配内存池控制块，它同时也接收用户线程的分配内存块申请。
内存池一旦初始化完成，内部的内存块大小将不能再做调整。

suspend_thread形成了一个申请线程等待列表，即当内存池中无可用内存块，并且申请线程允许等待时，申请线程将挂在suspend_thread链表上。

内存池的管理方式

内存池控制块是一个结构体，其中含有内存池相关的重要参数。
在这里插入图片描述

创建和删除内存池

创建内存池操作将会创建一个内存池对象并从堆上分配一个内存池。

rt_mp_t rt_mp_create(const char* name,rt_size_t block_count, rt_size_t block_size);

使用该函数接口可以创建一个与需求的内存块大小、数目相匹配的内存池，前提当然是在系统资源允许的情况下（最主要的内存堆内存资源）才能创建成功。

创建内存池时，需要给内存池指定一个名称。
然后内核从系统中申请一个内存池对象，然后从内存堆中分配一块由块数目和块大小计算得来的内存缓冲区，接着初始化内存池对象，并将申请成功的内存缓冲区组织成可用于分配的空闲块链表。

删除内存池将删除内存池对象并释放申请的内存。

rt_err_t rt_mp_delete(rt_mp_t mp);

删除内存池时，会首先唤醒等待在该内存池对象上的所有线程（返回-RT_ERROR），然后再释放已从内存堆上分配的内存池数据存放区域，然后删除内存池对象。

内存池应用示例

这是一个静态内存池应用例程，创建一个静态的内存池对象，2个动态线程，1个线程试图从内存池中获得内存块，另一个线程释放内存块。

#include <rtthread.h>

static rt_uint8_t *ptr[50];
static rt_uint8_t mempool[4096];
static struct rt_mempool mp;

#define THREAD_PRIORITY      25
#define THREAD_STACK_SIZE    512
#define THREAD_TIMESLICE     5

/* 指向线程控制块的指针 */
static rt_thread_t tid1 = RT_NULL;
static rt_thread_t tid2 = RT_NULL;

/* 线程 1 入口 */
static void thread1_mp_alloc(void *parameter)
{
    int i;
    for (i = 0 ; i < 50 ; i++)
    {
        if (ptr[i] == RT_NULL)
        {
            /* 试图申请内存块 50 次，当申请不到内存块时，
               线程 1 挂起，转至线程 2 运行 */
            ptr[i] = rt_mp_alloc(&mp, RT_WAITING_FOREVER);
            if (ptr[i] != RT_NULL)
                rt_kprintf("allocate No.%d\n", i);
        }
    }
}

/* 线程 2 入口，线程 2 的优先级比线程 1 低，应该线程 1 先获得执行。*/
static void thread2_mp_release(void *parameter)
{
    int i;

    rt_kprintf("thread2 try to release block\n");
    for (i = 0; i < 50 ; i++)
    {
        /* 释放所有分配成功的内存块 */
        if (ptr[i] != RT_NULL)
        {
            rt_kprintf("release block %d\n", i);
            rt_mp_free(ptr[i]);
            ptr[i] = RT_NULL;
        }
    }
}

int mempool_sample(void)
{
    int i;
    for (i = 0; i < 50; i ++) ptr[i] = RT_NULL;

    /* 初始化内存池对象 */
    rt_mp_init(&mp, "mp1", &mempool[0], sizeof(mempool), 80);

    /* 创建线程 1：申请内存池 */
    tid1 = rt_thread_create("thread1", thread1_mp_alloc, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid1 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid1);


    /* 创建线程 2：释放内存池 */
    tid2 = rt_thread_create("thread2", thread2_mp_release, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY + 1, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid2 != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid2);

    return 0;
}

/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(mempool_sample, mempool sample);