SylixOS中的动态内存分配 --- 内核堆与系统堆实现原理详解

桃扇骨 2022-08-28 01:57 232阅读 0赞

# 实现原理 #

内核堆与系统堆通过内存堆操作库实现，系统会定义两个内存堆指针全局变量，分别指向内核堆和系统堆，接口调用时即通过这两个指针访问内核堆和系统堆。

内核堆和系统堆全局指针定义

__KERNEL_EXT PLW_CLASS_HEAP          _K_pheapKernel;                    /*  内核堆                      */
    __KERNEL_EXT PLW_CLASS_HEAP          _K_pheapSystem;                    /*  系统堆                      */

初始化  
内核初始化时会指定内核堆和系统堆的起始地址和大小，然后通过\_HeapCreate接口进行初始化。可以不指定系统堆的起始地址和大小，此时系统堆指针会被初始化为内核堆指针，即系统堆实际等同于内核堆。大部分情况下，是不对系统堆指定起始地址和大小的。

/*********************************************************************************************************
    ** 函数名称: _HeapKernelInit
    ** 功能描述: 内核堆内存初始化
    ** 输　入  : pvKernelHeapMem   内核堆的起始地址
    **           stKernelHeapSize  内核堆的大小
    ** 输　出  : NONE
    *********************************************************************************************************/
    VOID  _HeapKernelInit (PVOID     pvKernelHeapMem,
                           size_t    stKernelHeapSize)                                                                 /*  LW_CFG_MEMORY_HEAP_...      */
    {
        PVOID   pvHeap;
        size_t  stSize;
    
        pvHeap = pvKernelHeapMem;
        stSize = stKernelHeapSize;
        
        _K_pheapKernel = _HeapCreate(LW_KERNEL_HEAP_START(pvKernelHeapMem), 
                                     LW_KERNEL_HEAP_SIZE(stKernelHeapSize));
    
        lib_strcpy(_K_pheapKernel->HEAP_cHeapName, "kernel");
    }
    /*********************************************************************************************************
    ** 函数名称: _HeapSystemInit
    ** 功能描述: 系统堆内存初始化
    ** 输　入  : pvSystemHeapMem   系统堆的起始地址
    **           stSystemHeapSize  系统堆的大小
    ** 输　出  : NONE
    ** 输　出  : 
    *********************************************************************************************************/
    VOID  _HeapSystemInit (PVOID     pvSystemHeapMem,
                           size_t    stSystemHeapSize)
    {
        if (pvSystemHeapMem && stSystemHeapSize) {
            _K_pheapSystem = _HeapCreate(pvSystemHeapMem, stSystemHeapSize);
        } else {
            _K_pheapSystem = _K_pheapKernel;                                /*  只使用 kernel heap          */
        }
    
        if (_K_pheapSystem == _K_pheapKernel) {
            lib_strcpy(_K_pheapSystem->HEAP_cHeapName, "kersys");
        
        } else {
            lib_strcpy(_K_pheapSystem->HEAP_cHeapName, "system");
        }
    }

初始化调用流程：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1NjaWxvZ3lIdW50ZXI_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

一般情况下，会将DATA分区中除去.data段、.bss段、.stack段外的所有剩余空间用作内核堆（.heap）。起始地址为(PVOID)&\_\_heap\_start，内存大小为(size\_t)&\_\_heap\_end - (size\_t)&\_\_heap\_start，这部分内存的分配是通过连接脚本SylixOSBSP.ld中实现的。而系统堆则不指定内存空间。

SylixOSBSP.ld中DATA分区配置如下：

/*********************************************************************************************************
        .data 段数据初始化内容放在这里
    *********************************************************************************************************/
    
        . = ALIGN(8);
        PROVIDE (_etext = .);
    
    /*********************************************************************************************************
         数据段
    
         .data 段运行地址 VMA 为 ORIGIN(DATA), 装载地址 LMA 为 _etext,
         连接器会将 .data 的初始化数据放在 _etext 的地方, 然后启动程序必须将 _etext 的内容搬运到 
         VMA ORIGIN(DATA) 中. 大小等于 SIZEOF(.data)
    *********************************************************************************************************/
    
        .data ORIGIN(DATA) : AT (_etext) {
            . = ALIGN(8);
            PROVIDE (_data = .);
            
            *(.data)
            *(.sdata)
            *(.sbss)
            *(.scommon)
    
            . = ALIGN(8);
            PROVIDE (_edata = .);
        } > DATA
        
    /*********************************************************************************************************
        清零段
    
        NOLOAD 表示不装载, 启动程序只需要借助 __bss_start 和 __bss_end 两个符号指定的起始地址和结束地址
        将 .bss 区域清零即可. (注意 *.noinit 可以不进行清零)
    *********************************************************************************************************/
    
        .bss (NOLOAD) : {
            . = ALIGN(8);
            *(.noinit)
            
            . = ALIGN(8);
            PROVIDE (__bss_start = .);
            
            *(.bss)
            
            . = ALIGN(8);
            *(COMMON)
            
            . = ALIGN(8);
            PROVIDE (__bss_end = .);
        } > DATA
    
    /*********************************************************************************************************
        栈段
        
        SylixOS 启动时使用，异常入口也使用
    *********************************************************************************************************/
    
        .stack (NOLOAD) : {
            . = ALIGN(8);
            PROVIDE (__stack_start = .);
            
            . += BOOT_STACK_SIZE;
            
            . = ALIGN(8);
            PROVIDE (__stack_end = .);
        } > DATA
        
    /*********************************************************************************************************
        内核堆段
    *********************************************************************************************************/
    
        .heap (NOLOAD) : {
            . = ALIGN(8);
            PROVIDE (__heap_start = .);
            
            __heap_end = ORIGIN(DATA) + LENGTH(DATA) - 128;
            PROVIDE (__heap_end = .);
        } > DATA

内核堆和系统堆在初始化后即可进行使用，以宏函数为接口，通过内存堆操作库实现。注意，内核堆和系统堆是不会被删除的，也不会被扩展。

内核堆接口宏：

#define __KHEAP_ALLOC(stNBytes)                 _HeapAllocate(_K_pheapKernel, stNBytes, __func__)
    #define __KHEAP_ZALLOC(stNBytes)                _HeapZallocate(_K_pheapKernel, stNBytes, __func__)
    #define __KHEAP_REALLOC(pvMemory, stNBytes)     _HeapRealloc(_K_pheapKernel, pvMemory, stNBytes, LW_FALSE, __func__)       
    #define __KHEAP_ALLOC_ALIGN(stNBytes, stAlgin)  _HeapAllocateAlign(_K_pheapKernel, stNBytes, stAlgin, __func__)        
    #define __KHEAP_FREE(pvMemory)                  _HeapFree(_K_pheapKernel, pvMemory, LW_FALSE, __func__)
    
    #define ker_malloc(size)                		__KHEAP_ALLOC((size_t)(size))
    #define ker_zalloc(size)                		__KHEAP_ZALLOC((size_t)(size))
    #define ker_free(p)                     		__KHEAP_FREE((p))
    #define ker_realloc(p, new_size)        		__KHEAP_REALLOC((p), (size_t)(new_size))
    #define ker_malloc_align(size, align)   		__KHEAP_ALLOC_ALIGN((size_t)(size), (size_t)(align))

系统堆接口宏：

#define __SHEAP_ALLOC(stNBytes)                 _HeapAllocate(_K_pheapSystem, stNBytes, __func__)
    #define __SHEAP_ZALLOC(stNBytes)                _HeapZallocate(_K_pheapSystem, stNBytes, __func__)
    #define __SHEAP_REALLOC(pvMemory, stNBytes)     _HeapRealloc(_K_pheapSystem, pvMemory, stNBytes, LW_FALSE, __func__)
    #define __SHEAP_ALLOC_ALIGN(stNBytes, stAlgin)  _HeapAllocateAlign(_K_pheapSystem, stNBytes, stAlgin, __func__)
    #define __SHEAP_FREE(pvMemory)                  _HeapFree(_K_pheapSystem, pvMemory, LW_FALSE, __func__)
    
    #define sys_malloc(size)                		__SHEAP_ALLOC((size_t)(size))
    #define sys_zalloc(size)                		__SHEAP_ZALLOC((size_t)(size))
    #define sys_free(p)                     		__SHEAP_FREE((p))
    #define sys_realloc(p, new_size)        		__SHEAP_REALLOC((p), (size_t)(new_size))
    #define sys_malloc_align(size, align)   		__SHEAP_ALLOC_ALIGN((size_t)(size), (size_t)(align))

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