内存管理 malloc free 的实现

libc 中提供非常好用的  malloc free 功能，如果自己实现一个，应该怎么做。

要实现 malloc free 需要有 可以分配内存使用的堆，和记录内存使用情况的链表。

如下图所示，堆从高向低分配，链表从低向高分配，图是 ps 画的。

/* 管理堆的链表 */
typedef struct A_BLOCK_LINK
{
    char *pV;                                /* 内存实际物理地址 */
    int  index;                             /* 内存编号 */  
    char empty;                             /* 1 空 0 非空  */
    int  heapLen;                           /* 分配长度 */   
    struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock;    /* 上个节点 */
    struct A_BLOCK_LINK *pxPrevFreeBlock;    /* 下个节点 */
} BlockLink_t;

 

这里的对应关系是，链表 1 对应 最后一个堆，链表 2对应 最后2个堆。

如何初始化？

1,先计算出来，共能分配多少块内存

2,分配管理链表

如何找到合适的可以分配的内存？

这里从链表1 开始向后查找，当未使用的内存长度满足要求时，将最后找到的链表的，堆地址返回给 申请者。

如何free 内存？

因为 free 只传过来一个 ，最初申请的内存地址，没有传入长度，这里也需要在 链表结构体中进行记录

详细的代码，可以去置顶的 github 项目。 

经过测试在， ubuntu16.4 gcc 5.4 中运行正常，free 后的内存，可以被重新 malloc 。

目前还没有实现，内存碎片整理功能。仅有一个空实现。 后期在更新。

实现代码：

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include "sram.h"

//以下定义大小是为了直观的看到程序运行分配结果，取10进制数
//整个SRAM大小
#define SRAM_SIZE (1000)

//堆分块大小
#define HeapBlockSIZE (100)

//以下代码在 GCC 中演示使用编译器分一个大的SRAM 在实际硬件中，直接写内存开始地址就可以
//#define SRAM_BASE_ADDR 0
static char SRAM_BASE_ADDR[SRAM_SIZE] = {0};

/* 管理堆的链表 */
typedef struct A_BLOCK_LINK
{
    char *pV;                                /* 内存实际物理地址 */
    int  index;                             /* 内存编号 */  
    char empty;                             /* 1 空 0 非空  */
    int  heapLen;                           /* 分配长度 */   
    struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock;    /* 上个节点 */
    struct A_BLOCK_LINK *pxPrevFreeBlock;    /* 下个节点 */
} BlockLink_t;

//头节点
static char *HeapHead = NULL;
//块数量
static int BlockTotal = 0;

void TraceHeap(void)
{
    BlockLink_t *pTempBlockLink = (BlockLink_t *)HeapHead;
    printf("\r\n##########TraceHeap#############\r\n");
    while(pTempBlockLink)
    {
        printf("index: %d empty:%d addr:%d \r\n", pTempBlockLink->index, pTempBlockLink->empty, pTempBlockLink->pV - SRAM_BASE_ADDR);
        pTempBlockLink = pTempBlockLink->pxNextFreeBlock;
    }
    printf("\r\n##########TraceHeap#############\r\n");
}

//堆 Heap 分配初始化
void InitHeap(void)
{
    BlockLink_t *pBlockLink, *pTempBlockLink = NULL;
    int i = 0;
    char *pHeapStart = (char *)SRAM_BASE_ADDR;
    char *pHeapEnd   = (char *)(SRAM_BASE_ADDR + SRAM_SIZE);
    pHeapEnd -= HeapBlockSIZE;
    BlockTotal = SRAM_SIZE / (HeapBlockSIZE + sizeof(BlockLink_t));
    while(i < BlockTotal)
    {
        pBlockLink          = (BlockLink_t *)pHeapStart;
        pBlockLink->pxPrevFreeBlock = pTempBlockLink;
        pBlockLink->pV      = pHeapEnd;
        pBlockLink->index   = i;
        pBlockLink->empty   = 1;
        pBlockLink->heapLen = 0;
        //指针重定位
        pHeapEnd   -= HeapBlockSIZE;
        pHeapStart += sizeof(BlockLink_t);
        //双向链表的上一个
        pTempBlockLink = pBlockLink;
        pBlockLink->pxNextFreeBlock = (BlockLink_t *)pHeapStart;    
        i++;
    }
    pBlockLink->pxNextFreeBlock = NULL;
    HeapHead = (char *)SRAM_BASE_ADDR;
}

static BlockLink_t *FindHeap(char *addr)
{
    BlockLink_t *pTempBlockLink = (BlockLink_t *)HeapHead;
    //从低向高查找可用的内存
    while(pTempBlockLink)
    {
        if(pTempBlockLink->pV == addr)
        {
            return pTempBlockLink;
        }
        //切换下一节点
        pTempBlockLink = pTempBlockLink->pxNextFreeBlock;
    }
    return NULL;
}

//查找可用的连续内存
static void *SramFindHeap(int size)
{
    char *mem;
    int seriesSize = 0;           //已查找到连续用的内存
    BlockLink_t *pTempBlockLink;  //头节点
    pTempBlockLink = (BlockLink_t *)HeapHead;
    //从低向高查找可用的内存
    while(pTempBlockLink)
    {
        //如果是未使用的内存
        if(pTempBlockLink->empty)
        {
            seriesSize += HeapBlockSIZE;
        }
        else
        {
            seriesSize = 0;
        }
        //如果查找到连续未使用的内存
        if(seriesSize >= size)
        {    
            //返回内存堆开始地址 
            pTempBlockLink->heapLen = seriesSize; //设置分配堆长度
            mem = pTempBlockLink->pV;
            
            //将内存标记为 已使用
            while(seriesSize && pTempBlockLink)
            {
                seriesSize -= HeapBlockSIZE;
                pTempBlockLink->empty = 0;
                pTempBlockLink = pTempBlockLink->pxPrevFreeBlock;
            }
            return mem;
        }
        //切换下一节点
        pTempBlockLink = pTempBlockLink->pxNextFreeBlock;
    }
    return NULL;
}

//内存碎片整理
static void SramMerge(void)
{
    
}

void *SramMalloc(size_t xWantedSize)
{
    char *mem;
    
    if(! HeapHead)
    {
        InitHeap();
    }
    //地址对齐
    
    mem = SramFindHeap(xWantedSize);
    if(mem)
    {
        return mem;
    }
    //如果没有查找到 整理内存碎片
    SramMerge();
    
    //仍然分配不成功 返回错误
    mem = SramFindHeap(xWantedSize);
    if(mem)
    {
        return mem;
    }
    return NULL;
}

void SramFree( void *pv )
{
    int heapLen = 0;
    //释放内存 从堆的高位开始向低位查找
    BlockLink_t *pTempHeap = FindHeap(pv);
    heapLen = pTempHeap->heapLen;
    while(heapLen && pTempHeap)
    {
        //设为空闲状态
        pTempHeap->empty   = 1;
        pTempHeap->heapLen = 0;
        //查找上个节点
        pTempHeap = pTempHeap->pxPrevFreeBlock;
        heapLen -= HeapBlockSIZE;
    }
}