Zephyr内存管理之Block
本文分析说明Zephyr的内存块分配器(Memory Blocks Allocator)机制。
Zephyr提供内存块分配器(Memory Blocks Allocator)，通过该分配器可以从指定的内存区域动态分配到内存块：
- 同一个分配器中分配到的内存块大小都一样
- 可以同时分配和释放多个内存块
- 分配到一组的块可能不连续
- 管理区和内存区分离
和slab的区别， slab：
- 一次只能分配到一个slab
- 管理区在内存区中
内存块分配器 链接到标题
内存分配器实现在： zephyr/include/zephyr/sys/mem_blocks.h zephyr/lib/os/mem_blocks.c
定义内存分配器 链接到标题
由宏进行内存块内存分配的API有两个，都是通过定义全局变量申请的buf，管理器管理这些内部buf
//定义一个名为name的内存分配器，block的大小为blk_sz, 总计有num_blks个block，内存按照buf_align对齐
//可以跨文件使用
#define SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE(name, blk_sz, num_blks, buf_align)
//定义一个名为name的内存分配器，block的大小为blk_sz, 总计有num_blks个block，内存按照buf_align对齐
//定义的内存块分配器为static不能跨文件使用
#define SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE_STATIC(name, blk_sz, num_blks, buf_align)
以上两个宏都是由SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE实现,STATIC的mbmod使用staic修饰，可以看到定义了一个未初始的全局变量，大小为num_blks * WB_UP(blk_sz
#define _SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE(name, blk_sz, num_blks, balign, mbmod) \
mbmod uint8_t __noinit_named(sys_mem_blocks_buf_##name) \
__aligned(WB_UP(balign)) \
_sys_mem_blocks_buf_##name[num_blks * WB_UP(blk_sz)]; \
_SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE_WITH_EXT_BUF(name, blk_sz, num_blks, \
_sys_mem_blocks_buf_##name, \
mbmod);
由宏为内存块分配器指定外部内存的API有两个，管理器管理外部内存
//定义一个名为name的内存分配器，block的大小为blk_sz, 总计有num_blks个block，block使用的内存由buf指定
//可以跨文件使用
#define SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE_WITH_EXT_BUF(name, blk_sz, num_blks, buf)
//定义一个名为name的内存分配器，block的大小为blk_sz, 总计有num_blks个block，block使用的内存由buf指定
//定义的内存块分配器为static不能跨文件使用
#define SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE_STATIC_WITH_EXT_BUF(name, blk_sz, num_blks, buf)
4中定义内存块分配器的管理结构都是通过_SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE_WITH_EXT_BUF定义, 创建一个Bitmap和sys_mem_blocks_t
#define _SYS_MEM_BLOCKS_DEFINE_WITH_EXT_BUF(name, blk_sz, num_blks, buf, mbmod) \
_SYS_BITARRAY_DEFINE(_sys_mem_blocks_bitmap_##name, \
num_blks, mbmod); \
mbmod sys_mem_blocks_t name = { \
.num_blocks = num_blks, \ //内存块的数量
.blk_sz_shift = ilog2(blk_sz), \ //内存块的大小，2的N次方，这里算log2，记录的就是N
.buffer = buf, \ //管理的内存
.bitmap = &_sys_mem_blocks_bitmap_##name, \ //管理内存的bitmap
}
分配内存块 链接到标题
sys_mem_blocks_alloc分配的内存块之间可能不连续，sys_mem_blocks_alloc_contiguous分配的内存块之间是连续的，实现如下
int sys_mem_blocks_alloc(sys_mem_blocks_t *mem_block, size_t count,
void **out_blocks)
{
int ret = 0;
int i;
__ASSERT_NO_MSG(mem_block != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(out_blocks != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(mem_block->bitmap != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(mem_block->buffer != NULL);
if (count == 0) {
/* Nothing to allocate */
goto out;
}
//剩余内存块不足，直接退出
if (count > mem_block->num_blocks) {
/* Definitely not enough blocks to be allocated */
ret = -ENOMEM;
goto out;
}
//逐个分配内存块，内存块之间的地址可能不连续
for (i = 0; i < count; i++) {
void *ptr = alloc_blocks(mem_block, 1);
if (ptr == NULL) {
break;
}
out_blocks[i] = ptr;
}
//如果内存块数量未分配够，将已分配的释放并返回错误
if (i < count) {
(void)sys_mem_blocks_free(mem_block, i, out_blocks);
ret = -ENOMEM;
}
out:
return ret;
}
int sys_mem_blocks_alloc_contiguous(sys_mem_blocks_t *mem_block, size_t count,
void **out_block)
{
int ret = 0;
__ASSERT_NO_MSG(mem_block != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(out_block != NULL);
if (count == 0) {
/* Nothing to allocate */
*out_block = NULL;
goto out;
}
//剩余内存块不足，直接退出
if (count > mem_block->num_blocks) {
/* Definitely not enough blocks to be allocated */
ret = -ENOMEM;
goto out;
}
//分配连续的内存块
void *ptr = alloc_blocks(mem_block, count);
if (ptr == NULL) {
ret = -ENOMEM;
goto out;
}
*out_block = ptr;
out:
return ret;
}
释放内存块 链接到标题
对应的sys_mem_blocks_free用于释放非连续性的内存块，sys_mem_blocks_free_contiguous用于释放连续性的内存块
int sys_mem_blocks_free(sys_mem_blocks_t *mem_block, size_t count, void **in_blocks);
int sys_mem_blocks_free_contiguous(sys_mem_blocks_t *mem_block, void *block, size_t count);
调用的内部接口都是free_blocks，只是sys_mem_blocks_free每次都释放1个，而sys_mem_blocks_free_contiguous释放全部，过程和分配对应这里就不列出代码分析了
释放分配内部函数 链接到标题
从前面分析可以看到释放和分配用alloc_blocks和free_blocks实现，块分配器使用bitmap进行管理，这里进行代码分析
static void *alloc_blocks(sys_mem_blocks_t *mem_block, size_t num_blocks)
{
size_t offset;
int r;
uint8_t *blk;
void *ret = NULL;
//block使用bitmap进行标记哪些用了哪些没用，因此在bitmap中查找是否有空闲的block，并做标记
//返回的offset就是分配到block的index
r = sys_bitarray_alloc(mem_block->bitmap, num_blocks, &offset);
if (r == 0) {
//通过index计算出block的起始地址
blk = mem_block->buffer + (offset << mem_block->blk_sz_shift);
ret = blk;
}
return ret;
}
static int free_blocks(sys_mem_blocks_t *mem_block, void *ptr, size_t num_blocks)
{
size_t offset;
uint8_t *blk = ptr;
int ret = 0;
//确认block在管理器管理的范围内
if (blk < mem_block->buffer) {
ret = -EFAULT;
goto out;
}
//通过地址计算出block在bitmap内的index
offset = (blk - mem_block->buffer) >> mem_block->blk_sz_shift;
if (offset >= mem_block->num_blocks) {
ret = -EFAULT;
goto out;
}
//将bitmap内的标记清0
ret = sys_bitarray_free(mem_block->bitmap, num_blocks, offset);
out:
return ret;
}
强制分配 链接到标题
sys_mem_blocks_get从指定的块地址in_block开始强制分配连续的count个block，sys_mem_blocks_get指定了要从哪个block开始分配，而sys_mem_blocks_alloc则是由系统自行安排
int sys_mem_blocks_get(sys_mem_blocks_t *mem_block, void *in_block, size_t count)
{
int ret = 0;
int offset;
__ASSERT_NO_MSG(mem_block != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(mem_block->bitmap != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(mem_block->buffer != NULL);
if (count == 0) {
/* Nothing to allocate */
goto out;
}
//通过block size计算出在bitmap中的标记起始位置
offset = ((uint8_t *)in_block - mem_block->buffer) >> mem_block->blk_sz_shift;
if (offset + count > mem_block->num_blocks) {
/* Definitely not enough blocks to be allocated */
ret = -ENOMEM;
goto out;
}
//将bitmap从offset开始后的count个标志位如果没有使用，着置位占用
ret = sys_bitarray_test_and_set_region(mem_block->bitmap, count, offset, true);
if (ret != 0) {
ret = -ENOMEM;
goto out;
}
out:
return ret;
}
检查block是否未分配 链接到标题
sys_mem_blocks_is_region_free用于检查指定in_block开始的count个block是否未分配
int sys_mem_blocks_is_region_free(sys_mem_blocks_t *mem_block, void *in_block, size_t count)
{
bool result;
size_t offset;
__ASSERT_NO_MSG(mem_block != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(mem_block->bitmap != NULL);
__ASSERT_NO_MSG(mem_block->buffer != NULL);
//计算block在bitmap内的位置
offset = ((uint8_t *)in_block - mem_block->buffer) >> mem_block->blk_sz_shift;
__ASSERT_NO_MSG(offset + count <= mem_block->num_blocks);
//检查从该位置开始count个标记是否为空闲
result = sys_bitarray_is_region_cleared(mem_block->bitmap, count, offset);
return result;
}
多块分配器 链接到标题
Zephyr提供一个多块分配器将块分配器编为一个组，分配块时从这一组块分配器中按照注册的sys_multi_mem_blocks_choice_fn_t选出块分配器进行分配。多块分配器使用下面结构体进行组织管理
#define MAX_MULTI_ALLOCATORS 8
struct sys_multi_mem_blocks {
/* Number of allocators in this group */
int num_allocators; //组内块分配器的数量
sys_multi_mem_blocks_choice_fn_t choice_fn; //块分配器选择函数
sys_mem_blocks_t *allocators[MAX_MULTI_ALLOCATORS]; //块分配器信息，最多支持8个块分配器
};
由于多块分配器的实现比较简单，下面就只说明API作用和实现方法
初始化多块分配器group，注册块分配器选择函数choice_fn, 主要是完成sys_multi_mem_blocks内num_allocators和choice_fn的初始化
void sys_multi_mem_blocks_init(sys_multi_mem_blocks_t *group,
sys_multi_mem_blocks_choice_fn_t choice_fn);
将堆分配器alloc加入到多块分配器group中，主要是修改num_allocators，并将block信息拷贝进allocators中
void sys_multi_mem_blocks_add_allocator(sys_multi_mem_blocks_t *group,
sys_mem_blocks_t *alloc);
从多堆分配器group中分配配置为cfg，数量为count的block, out_blocks为分配到的block地址， blk_size为分配到block的大小。
该函数调用choice_fn选择器根据cfg选择出堆分配器，再从分配器中分配连续的count个block
int sys_multi_mem_blocks_alloc(sys_multi_mem_blocks_t *group,
void *cfg, size_t count,
void **out_blocks,
size_t *blk_size);
释放in_blocks开始连续count个块回多堆管理器group中，该函数会先对比要释放的block属于allocators中的哪一个多堆分配器，再进行释放
int sys_multi_mem_blocks_free(sys_multi_mem_blocks_t *group,
size_t count, void **in_blocks);
参考 链接到标题
https://docs.zephyrproject.org/3.4.0/kernel/memory_management/index.html