内存管理介绍

内存管理实际上就是指管理SRAM.
内存管理，是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如
何高效、快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。内存管理的实现方法有很多种，其实最终都是要实现两个函数：malloc 和 free。malloc 函数用来内存申请，free 函数用于内存释放。

本章，我们介绍一种比较简单的办法来实现：分块式内存管理。下面我们介绍一下该方法
的实现原理，如下图 所示：

从上图可以看出，分块式内存管理由内存池和内存管理表两部分组成。内存池被等分为了
n 块，对应的内存管理表，大小也为 n，内存管理表的每一个项对应内存池的一块内存。
内存管理表的项值代表的意义为：当该项值为 0 的时候，代表对应的内存块未被占用，当
该项值非零的时候，代表该项对应的内存块已经被占用，其数值则代表被连续占用的内存块数。
比如某项值为 10，那么说明包括本项对应的内存块在内，总共分配了 10 个内存块给外部的某个指针。内存分配方向如上图所示，是从顶→底的分配方向。即首先从最末端开始找空内存。当内存管理刚初始化的时候，内存表全部清零，表示没有任何内存块被占用。

分配原理

当指针 p 调用 malloc 申请内存的时候，先判断 p 要分配的内存块数（m），然后从第 n 开始，向下查找，直到找到 m 块连续的空内存块（即对应内存管理表项为 0），然后将这 m 个内存管理表项的值都设置为 m（标记被占用），最后，把最后的这个空内存块的地址返回指针 p，完成一次分配。注意：如果当内存不够的时候（找到最后也没有找到连续 m 块空闲内存），则返回 NULL 给 p，表示分配失败

释放原理

当 p 申请的内存用完，需要释放的时候，调用 free 函数实现。free 函数先判断 p 指向的内存地址所对应的内存块，然后找到对应的内存管理表项目，得到 p 所占用的内存块数目 m（内存管理表项目的值就是所分配内存块的数目），将这 m 个内存管理表项目的值都清零，标记释放，完成一次内存释放。

核心代码

malloc.h中比较重要的代码

/* mem1 内存参数设定.mem1 是 F103 内部的 SRAM. */
#define MEM1_BLOCK_SIZE 32
/* 内存块大小为 32 字节 */
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STM32F103 开发指南
#define MEM1_MAX_SIZE 40 * 1024 /* 最大管理内存 40K, F103ZE 内部 SRAM 总共 512KB */
#define MEM1_ALLOC_TABLE_SIZE MEM1_MAX_SIZE/MEM1_BLOCK_SIZE /* 内存表大小 */
/* mem2 内存参数设定.mem3 是 F103 外扩 SRAM */
#define MEM2_BLOCK_SIZE
32
/* 内存块大小为 32 字节 */
#define MEM2_MAX_SIZE 1 * 32
/* 精英板没有外扩内存，故设置一个最小值 */
#define MEM2_ALLOC_TABLE_SIZE MEM2_MAX_SIZE/MEM2_BLOCK_SIZE /* 内存表大小 */
/* 内存管理控制器 */
struct _m_mallco_dev
{
void (*init)(uint8_t);
/* 初始化 */
uint16_t (*perused)(uint8_t); /* 内存使用率 */
uint8_t *membase[SRAMBANK]; /* 内存池 管理 SRAMBANK 个区域的内存 */
MT_TYPE *memmap[SRAMBANK]; /* 内存管理状态表 */
uint8_t memrdy[SRAMBANK]; /* 内存管理是否就绪 */
};

根据上面所列的宏定义，那么此时总的内存池分配的大小size（内存池+内存分配管理表）:

size = MEM1_MAX_SIZE + (MEM1_MAX_SIZE / MEM1_BLOCK_SIZE) * sizeof(MT_TYPE)

式子可变形为：

MEM1_MAX_SIZE = (MEM1_BLOCK_SIZE * size) / (MEM1_BLOCK_SIZE + sizeof(MT_TYPE))

假设一款单片机的SRAM为64KB，那么我们应该选取合理的大小作为内存池分配的大小。按上述的malloc.h中配置，可以算出

size= 40 * 1024 + (40 * 1024 / 32) * 2 = 43520 = 42.5KB

看以到42.5KB<64KB,这是为了留有一定的空间存储其他全局变量 / 数组

malloc函数

/**
 * @brief       内存分配(内部调用)
 * @param       memx : 所属内存块
 * @param       size : 要分配的内存大小(字节)
 * @retval      内存偏移地址
 *   @arg       0 ~ 0XFFFFFFFE : 有效的内存偏移地址
 *   @arg       0XFFFFFFFF     : 无效的内存偏移地址
 */
static uint32_t my_mem_malloc(uint8_t memx, uint32_t size)
{
    signed long offset = 0;
    uint32_t nmemb;     /* 需要的内存块数 */
    uint32_t cmemb = 0; /* 连续空内存块数 */
    uint32_t i;

    if (!mallco_dev.memrdy[memx])
    {
        mallco_dev.init(memx);          /* 未初始化,先执行初始化 */
    }
    
    if (size == 0) return 0XFFFFFFFF;   /* 不需要分配 */

    nmemb = size / memblksize[memx];    /* 获取需要分配的连续内存块数 */

    if (size % memblksize[memx]) nmemb++;

    for (offset = memtblsize[memx] - 1; offset >= 0; offset--)  /* 搜索整个内存控制区 */
    {
        if (!mallco_dev.memmap[memx][offset])
        {
            cmemb++;            /* 连续空内存块数增加 */
        }
        else 
        {
            cmemb = 0;          /* 连续内存块清零 */
        }
        
        if (cmemb == nmemb)     /* 找到了连续nmemb个空内存块 */
        {
            for (i = 0; i < nmemb; i++) /* 标注内存块非空 */
            {
                mallco_dev.memmap[memx][offset + i] = nmemb;
            }

            return (offset * memblksize[memx]); /* 返回偏移地址 */
        }
    }

    return 0XFFFFFFFF;  /* 未找到符合分配条件的内存块 */
}

/**
 * @brief       分配内存(外部调用)
 * @param       memx : 所属内存块
 * @param       size : 要分配的内存大小(字节)
 * @retval      分配到的内存首地址.
 */
void *mymalloc(uint8_t memx, uint32_t size)
{
    uint32_t offset;
    offset = my_mem_malloc(memx, size);

    if (offset == 0XFFFFFFFF)   /* 申请出错 */
    {
        return NULL;            /* 返回空(0) */
    }
    else    /* 申请没问题, 返回首地址 */
    {
        return (void *)((uint32_t)mallco_dev.membase[memx] + offset);
    }
}

free函数

/**
 * @brief       释放内存(内部调用)
 * @param       memx   : 所属内存块
 * @param       offset : 内存地址偏移
 * @retval      释放结果
 *   @arg       0, 释放成功;
 *   @arg       1, 释放失败;
 *   @arg       2, 超区域了(失败);
 */
static uint8_t my_mem_free(uint8_t memx, uint32_t offset)
{
    int i;

    if (!mallco_dev.memrdy[memx])   /* 未初始化,先执行初始化 */
    {
        mallco_dev.init(memx);
        return 1;                   /* 未初始化 */
    }

    if (offset < memsize[memx])     /* 偏移在内存池内. */
    {
        int index = offset / memblksize[memx];      /* 偏移所在内存块号码 */
        int nmemb = mallco_dev.memmap[memx][index]; /* 内存块数量 */

        for (i = 0; i < nmemb; i++)                 /* 内存块清零 */
        {
            mallco_dev.memmap[memx][index + i] = 0;
        }

        return 0;
    }
    else
    {
        return 2;   /* 偏移超区了. */
    }
}

/**
 * @brief       释放内存(外部调用)
 * @param       memx : 所属内存块
 * @param       ptr  : 内存首地址
 * @retval      无
 */
void myfree(uint8_t memx, void *ptr)
{
    uint32_t offset;

    if (ptr == NULL)return;     /* 地址为0. */

    offset = (uint32_t)ptr - (uint32_t)mallco_dev.membase[memx];
    my_mem_free(memx, offset);  /* 释放内存 */
}