嵌入式动态内存管理实现V2

一、说明

动态内存管理指的是在程序需要内存时申请，在使用完成后释放，保证以比较少的内存实现更多的软件需求。与之相对的是静态内存，典型的静态内存就是全局变量：在程序启动时到整个生命空间内都占用空间。动态内存的特点就是实现内存的“按需使用”，在嵌入式开发环境中，节省ram实现更多更灵活的内存使用需求。c库中的malloc、free接口就是动态内存申请、释放的实现。在《深入理解计算机系统》书中针对c库中malloc的实现算法有一章的篇幅进行说明。

V2是因为几年前写过一版动态内存管理，整体思路是：

使用链表管理已经申请的内存，申请时检查容器中未被申请的空间，在这个空间内创建节点放在链表上。内存释放时将节点中的内存释放出来并删除节点。这个管理方案中申请内存没有考虑最优方案，会产生过多的内存碎片导致空间利用率太低

代码仓库

https://gitee.com/hu_daxia/cuteheap

二、软件设计

2.1 改动项目

新版本软件同样采用一个双向链表实现，相比于之前的链表只存放已申请节点增加了未申请节点，这样在内存申请已经释放合并时更加灵活。同时在申请处理中增加了查找最优申请节点的处理，极大的减少了内存碎片增加空间利用率。

链表节点包含三个属性：用于挂在链表上的节点，是否被申请属性，大小属性

2.2 场景举例

可视化举例说明内存申请释放，使用图片的形式说明内存在申请、释放时链表的动态变化

1. 动态内存初始化完成
2. 申请1、2、3三个节点
3. 释放掉上述的2号节点
4. 申请一块比2空间大的节点
5. 释放上述的3号节点，2号与3号合并
6. 申请一个小于2号节点的节点

2.3 内存申请软件流程

2.4 内存释放软件流程

三、软件实现

代码仓库

申请部分：

uint8_t *heap_malloc(uint32_t wantSize)
{
    static uint8_t heapInit = 0;
    uint8_t nodeState;
    uint32_t currentSize;
    uint32_t tempSize = HEAP_SIZE - NODE_SIZE;
    HeapNode *nNode = NULL;
    Node *iNode = NULL;
    if (!heapInit)
    {
        heapInit = 1;、
        heap_init();
    }
    if (wantSize > HEAP_SIZE - NODE_SIZE)
    {
        return NULL;
    }
    for (iNode = heapList.pHead.pNext; NULL != iNode->pNext; iNode = iNode->pNext)
    {
        nodeState = ((HeapNode *)iNode)->isUsed;
        if (!nodeState)
        {
            currentSize = ((HeapNode *)iNode)->size;
            if (currentSize < wantSize)
            {
                continue;
            }
            else if (currentSize > wantSize + NODE_SIZE)
            {
                if (currentSize <= tempSize)
                {
                    tempSize = currentSize;
                    nNode = (HeapNode *)iNode;
                }
            }
            else 
            {
                nNode = (HeapNode *)iNode;
                nNode->isUsed = 1;
                return (uint8_t *)((uint8_t *)nNode + NODE_SIZE);
            }
        }
    }
    if (NULL != nNode)
    {
        HeapNode *tNode = (HeapNode *)((uint8_t *)nNode + NODE_SIZE + wantSize);
        tNode->isUsed = 0;
        tNode->size = nNode->size - wantSize - NODE_SIZE;
        list_insert((Node *)nNode,(Node *)tNode);
        nNode->size = wantSize;
        nNode->isUsed = 1;
        return (uint8_t *)((uint8_t *)nNode + NODE_SIZE);
    }
    else
    {
        return NULL;
    }
}

释放部分：

// 内存释放
void heap_free(uint8_t *ptr)
{
    if ((ptr > (uint8_t *)(gHeapSpace + HEAP_SIZE - NODE_SIZE)) ||
        (ptr < (uint8_t *)gHeapSpace))
    {
        return;
    }
    Node *iNode = heapList.pHead.pNext;
    HeapNode *nNode = NULL;
    for (; NULL != iNode->pNext; iNode = iNode->pNext)
    {
        if ((ptr - NODE_SIZE) == (uint8_t *)iNode)
        {
            nNode = (HeapNode *)iNode;
            nNode->isUsed = 0;
            break;
        }
    }
    if (nNode != NULL)
    {
        if (0 == ((HeapNode *)(iNode->pNext))->isUsed)
        {
            nNode->size = nNode->size + NODE_SIZE + ((HeapNode *)(iNode->pNext))->size;
            list_delete(iNode->pNext);
        }
        if (0 == ((HeapNode *)(iNode->pPrev))->isUsed)
        {
            HeapNode *tNode = (HeapNode *)(iNode->pPrev);
            tNode->size = tNode->size + NODE_SIZE + nNode->size;
            list_delete(iNode);
        }
    }
}

实测用例：

int main()
{
    heap_init();
    heap_foreach();
    uint8_t *p1 = heap_malloc(50);
    uint8_t *p2 = heap_malloc(20);
    uint8_t *p3 = heap_malloc(20);
    heap_foreach();
    heap_free(p2);
    heap_foreach();
    uint8_t *p4 = heap_malloc(70);
    heap_foreach();
    heap_free(p3);
    heap_foreach();
    uint8_t *p5 = heap_malloc(30);
    heap_foreach();
}

运行效果：

四、待改善

1. 申请的和释放的时间不确定
2. 节点本身占用空间，节点太多导致可使用空间变少