内存管理

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定义与作用

内存池管理

• 基础定义
  • 内存池是一种管理固定大小内存块的机制，主要用于减少碎片化，提高内存分配效率。
  • 在 RT-Thread 中，内存池允许用户预分配一定数量的具有相同大小的内存块，应用程序可以从中快速分配和释放内存。
• 主要内容
  • 创建和初始化内存池：定义一个内存池变量，通过 API 函数初始化，设定内存块大小和数量。
  • 从内存池分配内存：应用程序可以从内存池中请求内存块，用于存储数据。
  • 返回内存至内存池：使用完毕后，应将内存块返回至内存池，以供其他任务或用途重用。

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内存堆管理

• 基础定义

  • 内存堆管理提供更为灵活的内存分配方式，允许按需分配任意大小的内存区块。
  • RT-Thread 支持动态内存分配（如 malloc、free 等标准 C 函数）以及自定义的动态内存管理函数。

• 主要内容

  • 动态分配和释放内存：通过 rt_malloc() 和 rt_free() 等 API，分配和释放内存。

  • 内存碎片整理：某些情况下，可以通过内存整理来减少内存碎片，提高内存利用率。

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举例-通俗

• 在解释内存管理时，我们可以将其比作 用餐规则。

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内存池管理 (Memory Pool Management)

• 场景

  • 想象你在一个咖啡厅里，这个咖啡厅专门提供一种大小固定的咖啡杯（比如中杯），这些咖啡杯都是提前准备好的，并且放在一个特定的架子上。
  • 顾客来到咖啡厅时，可以快速地从架子上拿一个中杯咖啡。
  • 喝完后，顾客会把咖啡杯还回去，咖啡厅工作人员会清洗这些杯子并重新放回架子上，供下一位顾客使用。

• 对照关系

  • 这里，咖啡杯相当于内存池管理中的内存块，架子上的所有咖啡杯集合就像是一个内存池。
  • 咖啡杯的统一大小代表内存池中所有内存块的固定大小，而架子上的咖啡杯数量限制类似于内存池的容量。
  • 顾客使用后归还的过程类似于内存块的回收和重用。

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内存堆管理 (Heap Management)

• 场景

  • 现在想象一个不同的场景，在一个大型的自助餐厅，顾客可以根据自己的需要选择不同大小的盘子来装食物。
  • 你可以选择一个小盘子来装沙拉，一个中盘子来装主菜，还可以选择一个大盘子来装水果。
  • 用完之后，你会把盘子放到指定的回收处，餐厅工作人员会清洗这些盘子并把它们放回原位，与内存池管理相比,但这次它们不再是固定大小的集合，而是根据需要被选取和放回的。

• 对照关系

  • 在这个例子中，不同大小的盘子可以看作是动态分配的内存块，而自助餐厅提供的整体盘子资源类似于内存堆。
  • 顾客根据需求选择不同大小的盘子，就像程序根据需要申请不同大小的内存空间。
  • 用完后归还盘子的过程对应于释放内存空间，以便这些资源可以被其他顾客（即其他程序或进程）再次使用。

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总结

• 内存池管理就像是咖啡厅中预先准备好的一堆固定大小的咖啡杯，适合于需要快速且频繁地分配和回收相同大小资源的场景；
• 而内存堆管理则类似于自助餐厅里各种大小的盘子，适用于需求多变，需要不同大小内存块的情况。

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示例代码

• 两个代码的实现方式体现了区别,区别在于与存储空间数据交互的过程

• 内存池
  

• 内存堆
  

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内存池管理

• 该程序会从内存池中分配内存块，并在每个块中填入从1开始的递增数字。
• 然后对其进行逐个取用与输出

#include <rtthread.h>  // 引入RT-Thread头文件

#define POOL_SIZE 128   // 定义内存池的大小为128字节
#define BLOCK_SIZE 32   // 定义每个内存块的大小为32字节
#define BLOCK_COUNT 4   // 定义内存块的数量为4（示例中实际可用）

// 定义内存池空间，实际存储内存块的地方
static rt_uint8_t mempool[POOL_SIZE];
// 定义内存池控制块，管理内存池的状态和属性
struct rt_mempool mp;

int main(void)
{
    void *block;   // 定义一个指针用于接收分配的内存块地址
    int i = 1;     // 用于填充内存块的递增数字

    // 初始化内存池
    rt_mp_init(&mp, "mempool", &mempool, sizeof(mempool), BLOCK_SIZE);

    for (int j = 0; j < BLOCK_COUNT; j++) {
        // 从内存池分配一个内存块
        block = rt_mp_alloc(&mp, RT_WAITING_FOREVER);
        if (block != RT_NULL) {
            // 将递增数字填入内存块
            *(int *)block = i++;
            // 打印内存块中的数字，验证我们的操作
            rt_kprintf("Block %d: %d\n", j + 1, *(int *)block);
            // 模拟一些处理过程，这里我们简单地延时
            rt_thread_mdelay(RT_TICK_PER_SECOND);
            // 将内存块返回至内存池，释放内存块以供其他操作使用
            rt_mp_free(block);
        }
    }

    return 0;
}

内存堆管理

• 在这段代码中，我们循环BLOCK_COUNT次，每次都尝试从堆中分配一块大小足以存储一个整数的内存。
• 如果分配成功，我们就把一个递增的数字存入这块内存，打印出这个数字，然后在下一次循环前释放这块内存。

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• 请注意，使用堆内存管理时，您需要保证系统的堆大小足够大，能够满足您的分配请求。
• 您可以在系统初始化代码中设置堆大小。另外，频繁地分配和释放小块内存可能会导致内存碎片，从而影响系统性能。

#include <rtthread.h>  // 引入RT-Thread头文件

#define BLOCK_COUNT 10  // 定义需要分配的内存块数量

int main(void)
{
    void *block;  // 定义一个指针用于接收分配的内存块地址
    int i = 1;    // 用于填充内存块的递增数字

    for (int j = 0; j < BLOCK_COUNT; j++) {
        // 从内存堆中动态分配一块内存
        block = rt_malloc(sizeof(int));
        if (block != RT_NULL) {
            // 将递增数字填入内存块
            *(int *)block = i++;
            // 打印内存块中的数字，验证我们的操作
            rt_kprintf("Block %d: %d\n", j + 1, *(int *)block);
            // 模拟一些处理过程，这里我们简单地延时
            rt_thread_mdelay(RT_TICK_PER_SECOND);
            // 释放内存块，返回它到内存堆
            rt_free(block);
        } else {
            // 如果内存分配失败，打印错误信息
            rt_kprintf("Memory allocation failed for block %d\n", j + 1);
        }
    }

    return 0;
}

逐行解释 代码

内存池管理

• #include <rtthread.h>: 引入 RT-Thread 的主要功能。
• #define POOL_SIZE 128: 设置内存池总大小为128字节。
• #define BLOCK_SIZE 32: 设置每个内存块的大小为32字节。
• #define BLOCK_COUNT 10: 设定内存块数量为10。
• static rt_uint8_t mempool[POOL_SIZE]: 静态分配内存池数组。
• struct rt_mempool mp: 定义内存池控制块。
• int main(void): 主函数开始。
• void *block: 定义指向内存块的指针。
• rt_mp_init: 初始化内存池。
• 循环中，rt_mp_alloc从内存池分配内存，rt_kprintf打印信息，rt_thread_mdelay延时，rt_mp_free释放内存。

#include <rtthread.h>  // 引入 RT-Thread 的主要头文件，提供操作系统功能
#define POOL_SIZE 128  // 定义内存池的大小为128字节
#define BLOCK_SIZE 32  // 定义每个内存块的大小为32字节
#define BLOCK_COUNT 10 // 定义内存池能够容纳的内存块数量为10（注意：此处定义并未直接用于下面的代码，但有助于理解内存池的容量）

static rt_uint8_t mempool[POOL_SIZE]; // 静态分配128字节内存作为内存池的存储空间
struct rt_mempool mp; // 声明一个内存池控制块变量

int main(void)
{
    void *block; // 用于接收分配的内存块地址的指针

    // 初始化内存池，参数分别为：内存池控制块地址、内存池名称、内存池的存储空间地址、内存池的总大小、每个内存块的大小
    rt_mp_init(&mp, "mempool", &mempool, sizeof(mempool), BLOCK_SIZE);

    // 循环体：模拟内存块的分配和使用
    while(1)
    {
        block = rt_mp_alloc(&mp, RT_WAITING_FOREVER); // 从内存池中分配一个内存块，如果没有可用内存块则永久等待
        if (block != RT_NULL) // 检查是否成功分配内存块
        {
            // ... 在这里使用内存块进行操作 ...

            rt_kprintf("Block allocated\n"); // 打印内存块已被分配的信息
            rt_thread_mdelay(1000); // 线程延迟1000毫秒（1秒）
            rt_mp_free(block); // 将内存块归还给内存池
        }
    }
    // 实际应用中不会到达这里，但理论上应释放所有资源
    return 0; // 返回0，结束主函数
}

内存堆管理

• #include <rtthread.h>: 引入 RT-Thread 的头文件。
• #define BLOCK_COUNT 10: 定义需要处理的内存块数量。
• int main(void): 主函数入口。
• void *block: 定义一个通用指针用于指向分配的内存块。
• int i = 1: 初始化递增的数字。\
• 循环使用rt_malloc从堆中分配内存，存储数字并打印，然后用rt_free释放内存。
• rt_device_find, rt_device_open, rt_mp_init, rt_mp_alloc, rt_mp_free, rt_thread_mdelay等函数分别用于设备查找、打开、内存分配与释放及线程延时。

#include <rtthread.h>  // 引入 RT-Thread 的主要头文件

int main(void)
{
    void *block; // 定义一个指针，用于指向分配的内存块
    int i = 1;   // 定义一个整数变量，用于在内存块中存储递增的数字

    while(1)
    {
        block = rt_malloc(sizeof(int)); // 从堆中分配足够存储一个整数的内存块
        if (block != RT_NULL) // 检查内存块是否成功分配
        {
            *(int *)block = i; // 将递增的数字存储在分配的内存块中
            rt_kprintf("Allocated int: %d\n", *(int *)block); // 打印存储在内存块中的数字

            i++; // 递增数字
            rt_thread_mdelay(1000); // 线程延迟1000毫秒（1秒）
            rt_free(block); // 释放内存块，将其归还给堆
        }
    }
    // 在实际的应用程序中，这里应该有代码来清理和释放所有分配的资源
    return 0; // 返回0，正常结束主函数
}

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