聊一聊Lwip内存管理策略

至于LWIP内核建立多少种POOL依赖于用户和系统配置，比如如果定义了宏LWIP_UDP为1，那么在编译时与UDP控制块数据结构相关的内存池POOL就会被建立(MEMP_UDP_PCB)，如果定义了宏LWIP_TCP为1，编译时与TCP数据结构相关的内存池就会被建立(MEMP_TCP_PCB、MEMP_TCP_SEG)等等!每种类型的POOL大小都是固定的。用户可以在lwipopts.h文件中定义,LWIP在opt.h中已经配置了默认值。

有6个与LWIP内存池有关的全局变量和数据结构：memp_t、memp_tab[]、memp_sizes[]、memp_num[]、memp_desc[]和memp_memory[]。

1.1、memp_t数据类型

memp_t为一个枚举类型变量，用来给每个POOL取个名字，或者说是编号。memp_t在文件memp.h文件中定义，定义如下：

#define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc)  MEMP_##name, 

这句代码意思是：

遇到LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) 换成MEMP_##name

例如：在memp_std.h的34行

LWIP_MEMPOOL(RAW_PCB,        MEMP_NUM_RAW_PCB,         sizeof(structraw_pcb),        "RAW_PCB") 

变成了

 

MEMP_RAW_PCB 

所以memp_t编译之后如下：

typedef enum 
{ 
    MEMP_ RAW_PCB, 
    MEMP_ UDP_PCB, 
    MEMP_ TCP_PCB, 
    MEMP_ TCP_PCB_LISTEN, 
    MEMP_ TCP_SEG, 
    MEMP_ REASSDATA, 
     ……. 
    MEMP_MAX 
} memp_t; 

其中MEMP_MAX代表memp_t代表枚举类型中元素总个数(C语言基础知识)，并不代表任何类型的POOL

1.2、memp_tab全局指针数组

memp_tab为一个全局指针数组，指向每类POOL的第一个POOL，memp_tab在文件memp.c文件中定义，定义如下：

1.3、memp_sizes全局数组

memp_sizes为一个全局数组，用来记录每个POOL的大小，memp_sizes在文件memp.c文件中定义，定义如下：

编译之后

const u16_t memp_sizes[MEMP_MAX] = 
{ 
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(sizeof(struct raw_pcb)), 
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(sizeof(struct udp_pcb)), 
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(sizeof(struct tcp_pcb)), 
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(sizeof(structtcp_pcb_listen)), 
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(sizeof(struct tcp_seg)), 
    ……. 
} 

memp_sizes中保存了每种类型POOL的大小，这里的大小都是进行了内存对齐的。

这个宏定义，MEM_ALIGNMENT为4，也就是4字节对齐。

分析这个宏定义，也就说，当MEM_ALIGNMENT为4时，传入的size为3时，变为4

申请3个字节，实际申请4个字节

申请6个字节，实际申请8个字节

申请18个字节，实际申请20个字节

1.4、 memp_num[]全局数组

memp_num为一个全局数组，用来记录每类POOL中POOL的个数，memp_num在文件memp.c文件中定义，定义如下：

编译之后

const u16_t memp_num[MEMP_MAX] = 
{ 
    (MEMP_NUM_RAW_PCB), 
    (MEMP_NUM_UDP_PCB), 
    (MEMP_NUM_TCP_PCB), 
    (MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN), 
    (MEMP_NUM_TCP_SEG), 
    …… 
}; 

上面的MEMP_NUM_RAW_PCB、MEMP_NUM_UDP_PCB等等都是由用户定义的，用来记录对应的POOL的数量，用户可以在lwipopts.h文件中定义,LWIP在opt.h中已经配置了默认值。

1.5、memp_desc[]全局型指针数组

memp_desc为一个全局型指针数组，指向每类POOL的描述符，memp_desc在文件memp.c文件中定义，定义如下：

编译之后

static const char *memp_desc[MEMP_MAX] = 
{ 
   ("RAW_PCB"), 
   ("UDP_PCB"), 
   ("TCP_PCB"), 
   ("TCP_PCB_LISTEN"), 
   ("TCP_PCB_LISTEN"), 
   ……. 
}; 

memp_desc中的每个元素指向了一个字符串，这些字符串在统计信息输出中可能用到。

1.6、memp_memory[]数组

memp_memory为一个数组，这个数组才是真正的内存池!!!这个数组在文件memp.c文件中定义，定义如下：

编译之后

static u8_t memp_memory 
[ 
   MEM_ALIGNMENT – 1 
   +((MEMP_NUM_RAW_PCB) * (MEMP_SIZE + 
     MEMP_ALIGN_SIZE(sizeof(struct raw_pcb)) )) 
   +((MEMP_NUM_UDP_PCB) * (MEMP_SIZE + 
    MEMP_ALIGN_SIZE(sizeof(struct udp_pcb)) )) 
   +((MEMP_NUM_TCP_PCB) * (MEMP_SIZE + 
    MEMP_ALIGN_SIZE(sizeof(struct tcp_pcb)) )) 
   …….. 
]; 

其中MEMP_SIZE表示需要在每个POOL头部预留的空间，LWIP中在某些特殊场合使用该空间中的值来对POOL进行特殊处理，这里不使用该项功能，所以MEMP_SIZE为0，。如果使用到MEMP_SIZE的话也需要对这个大小进行内存对齐!

1.7、与内存池管理相关的函数：

使用内存池分配内存的优点在于速度快，效率高，不会产生内存碎片，但是缺点在于只能分配各种固定大小的内存空间，LWIP必须实现知道用户要使用哪些类型的POOL，每种类型的POOL数量，然后根据这个需求建立内存池。

02内存堆

LWIP还提供了另外一种内存策略—内存堆，使用内存堆策略就可以随便申请任意大小的内存了。但是这种方法效率和速度会有所下降。

使用内存堆策略的话用户申请的内存大小有最小限制，所申请的内存大小不能小于MIN_SIZE，LWIP默认的MIN_SIZE为12个字节，在mem.c文件中。该值用户可以自行定义。

使用内存堆策略，其有点事内存浪费小，比较简单，适合于小内存的管理，但是缺点就是如果频繁的进行动态内存申请和释放的话，可能会造成严重的内存碎片，如果碎片严重的话可能会导致内存分配失败!

内存堆策略下的内存空间是数组：ram_heap[]。在mem.c文件中。

与内存堆有关的函数有3个：

mem_init() 
mem_malloc() 
mem_free() 

03其他内存策略

前面讲的内存池(POOL)和内存堆(HEAP)这两个内存策略都是LWIP默认的内存策略，LWIP内核中大量的使用了这两个策略，不过LWIP也给我们提供了其他可选的内存策略。

(1)、当定义宏MEM_LIBC_MALLOC为1，那么与内存堆相关的代码就不会被编译的，内存堆中的mem_malloc()和mem_free()就会被ANSIC编译器自带的malloc()和free()替代。

(2)、当定义宏MEMP_MEM_MALLOC为1，那么内存池文件memp.c就不会被编译。

(3)、当定义宏MEM_USE_POOLS定义为1，那么内存堆分配相关的函数及全局变量不会被编译，这个时候就用内存池分配方式来实现内存堆的的分配方式，因为内存池的分配策略效率很高。

但是(3)中的方法使用起来比较麻烦，需要在lwipopts.h中定义宏MEM_USE_POOLS和MEM_USE_CUSTOM_POOLS都为1，还需要在另外一个头文件lwippools.h中开辟一些用于内存堆分配函数的内存池。