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鸿蒙轻内核M核源码分析系列八 静态内存MemoryBox

2024-12-03 04:52

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内存管理模块管理系统的内存资源，它是操作系统的核心模块之一，主要包括内存的初始化、分配以及释放。

在系统运行过程中，内存管理模块通过对内存的申请/释放来管理用户和OS对内存的使用，使内存的利用率和使用效率达到最优，同时最大限度地解决系统的内存碎片问题。

鸿蒙轻内核的内存管理分为静态内存管理和动态内存管理，提供内存初始化、分配、释放等功能。

动态内存：在动态内存池中分配用户指定大小的内存块。

静态内存：在静态内存池中分配用户初始化时预设(固定)大小的内存块。

本文主要分析鸿蒙轻内核静态内存(Memory Box)，后续系列会继续分析动态内存。静态内存实质上是一个静态数组，静态内存池内的块大小在初始化时设定，初始化后块大小不可变更。静态内存池由一个控制块和若干相同大小的内存块构成。控制块位于内存池头部，用于内存块管理。内存块的申请和释放以块大小为粒度。

本文通过分析静态内存模块的源码，帮助读者掌握静态内存的使用。

接下来，我们看下静态内存的结构体，静态内存初始化，静态内存常用操作的源代码。

1、静态内存结构体定义和常用宏定义

1.1 静态内存结构体定义

静态内存结构体在文件kernel\include\los_membox.h中定义。源代码如下，⑴处定义的是静态内存节点LOS_MEMBOX_NODE结构体，⑵处定义的静态内存的结构体池信息结构体为LOS_MEMBOX_INFO，，结构体成员的解释见注释部分。

  1. ⑴  typedef struct tagMEMBOX_NODE { 
  2.         struct tagMEMBOX_NODE *pstNext;  
  3.     } LOS_MEMBOX_NODE; 
  4.  
  5. ⑵  typedef struct LOS_MEMBOX_INFO { 
  6.         UINT32 uwBlkSize;                
  7.         UINT32 uwBlkNum;                 
  8.         UINT32 uwBlkCnt;                 
  9.     #if (LOSCFG_PLATFORM_EXC == 1) 
  10.         struct LOS_MEMBOX_INFO *nextMemBox;  
  11.     #endif 
  12.         LOS_MEMBOX_NODE stFreeList;      
  13.     } LOS_MEMBOX_INFO; 

 对静态内存使用如下示意图进行说明，对一块静态内存区域，头部是LOS_MEMBOX_INFO信息，接着是各个内存块，每块内存块大小是uwBlkSize，包含内存块节点LOS_MEMBOX_NODE和内存块数据区。空闲内存块节点指向下一块空闲内存块节点。

1.2 静态内存常用宏定义

静态内存头文件中还提供了一些重要的宏定义。⑴处的LOS_MEMBOX_ALIGNED(memAddr)用于对齐内存地址，⑵处OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize)根据当前节点内存地址addr和内存块大小blkSize获取下一个内存块的内存地址。⑶处OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE表示内存块中节点头大小，每个内存块包含内存节点LOS_MEMBOX_NODE和存放业务的数据区。⑷处表示静态内存的总大小，包含内存池信息结构体占用的大小，和各个内存块占用的大小。

  1. ⑴  #define LOS_MEMBOX_ALIGNED(memAddr) (((UINTPTR)(memAddr) + sizeof(UINTPTR) - 1) & (~(sizeof(UINTPTR) - 1))) 
  2.  
  3. ⑵  #define OS_MEMBOX_NEXT(addr, blkSize) (LOS_MEMBOX_NODE *)(VOID *)((UINT8 *)(addr) + (blkSize)) 
  4.  
  5. ⑶  #define OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE sizeof(LOS_MEMBOX_NODE) 
  6.  
  7. ⑷  #define LOS_MEMBOX_SIZE(blkSize, blkNum) \ 
  8.     (sizeof(LOS_MEMBOX_INFO) + (LOS_MEMBOX_ALIGNED((blkSize) + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE) * (blkNum))) 

 在文件kernel\src\mm\los_membox.c中也定义了一些宏和内联函数。⑴处定义OS_MEMBOX_MAGIC魔术字，这个32位的魔术字的后8位维护任务编号信息，任务编号位由⑵处的宏定义。⑶处宏定义任务编号的最大值，⑷处的宏从魔术字中提取任务编号信息。

⑸处内联函数设置魔术字，在内存块节点从静态内存池中分配出来后，节点指针.pstNext不再指向下一个空闲内存块节点，而是设置为魔术字。⑹处的内联函数用于校验魔术字。⑺处的宏根据内存块的节点地址获取内存块的数据区地址，⑻处的宏根据内存块的数据区地址获取内存块的节点地址。

  1. ⑴  #define OS_MEMBOX_MAGIC         0xa55a5a00 
  2.  
  3. ⑵  #define OS_MEMBOX_TASKID_BITS   8 
  4.  
  5. ⑶  #define OS_MEMBOX_MAX_TASKID    ((1 << OS_MEMBOX_TASKID_BITS) - 1) 
  6.  
  7. ⑷  #define OS_MEMBOX_TASKID_GET(addr) (((UINTPTR)(addr)) & OS_MEMBOX_MAX_TASKID) 
  8.  
  9. ⑸  STATIC INLINE VOID OsMemBoxSetMagic(LOS_MEMBOX_NODE *node) 
  10.     { 
  11.         UINT8 taskID = (UINT8)LOS_CurTaskIDGet(); 
  12.         node->pstNext = (LOS_MEMBOX_NODE *)(OS_MEMBOX_MAGIC | taskID); 
  13.     } 
  14.  
  15. ⑹  STATIC INLINE UINT32 OsMemBoxCheckMagic(LOS_MEMBOX_NODE *node) 
  16.     { 
  17.         UINT32 taskID = OS_MEMBOX_TASKID_GET(node->pstNext); 
  18.         if (taskID > (LOSCFG_BASE_CORE_TSK_LIMIT + 1)) { 
  19.             return LOS_NOK; 
  20.         } else { 
  21.             return (node->pstNext == (LOS_MEMBOX_NODE *)(OS_MEMBOX_MAGIC | taskID)) ? LOS_OK : LOS_NOK; 
  22.         } 
  23.     } 
  24.  
  25. ⑺  #define OS_MEMBOX_USER_ADDR(addr) \ 
  26.         ((VOID *)((UINT8 *)(addr) + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE)) 
  27.  
  28. ⑻  #define OS_MEMBOX_NODE_ADDR(addr) \ 
  29.         ((LOS_MEMBOX_NODE *)(VOID *)((UINT8 *)(addr) - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE)) 

 2、静态内存常用操作

当用户需要使用固定长度的内存时，可以通过静态内存分配的方式获取内存，一旦使用完毕，通过静态内存释放函数归还所占用内存，使之可以重复使用。

2.1 初始化静态内存池

我们分析下初始化静态内存池函数UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize)的代码。我们先看看函数参数，VOID *pool是静态内存池的起始地址，UINT32 poolSize是初始化的静态内存池的总大小，poolSize需要小于等于*pool开始的内存区域的大小，否则会影响后面的内存区域。还需要大于静态内存的头部大小sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)。长度UINT32 blkSize是静态内存池中的每个内存块的块大小。

我们看下代码，⑴处对传入参数进行校验。⑵处设置静态内存池中每个内存块的实际大小，已内存对齐，也算上内存块中节点信息。⑶处计算内存池中内存块的总数量，然后设置已用内存块数量.uwBlkCnt为0。

⑷处如果可用的内存块为0，返回初始化失败。⑸处获取内存池中的第一个空闲内存块节点。⑹处把空闲内存块挂载在静态内存池信息结构体空闲内存块链表stFreeList.pstNext上，然后执行⑺每个空闲内存块依次指向下一个空闲内存块，链接起来。

  1. UINT32 LOS_MemboxInit(VOID *pool, UINT32 poolSize, UINT32 blkSize) 
  2. { 
  3.     LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool; 
  4.     LOS_MEMBOX_NODE *node = NULL; 
  5.     UINT32 index; 
  6.     UINT32 intSave; 
  7.  
  8. ⑴  if (pool == NULL) { 
  9.         return LOS_NOK; 
  10.     } 
  11.  
  12.     if (blkSize == 0) { 
  13.         return LOS_NOK; 
  14.     } 
  15.  
  16.     if (poolSize < sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)) { 
  17.         return LOS_NOK; 
  18.     } 
  19.  
  20.     MEMBOX_LOCK(intSave); 
  21. ⑵  boxInfo->uwBlkSize = LOS_MEMBOX_ALIGNED(blkSize + OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE); 
  22.     if (boxInfo->uwBlkSize == 0) { 
  23.         MEMBOX_UNLOCK(intSave); 
  24.         return LOS_NOK; 
  25.     } 
  26. ⑶  boxInfo->uwBlkNum = (poolSize - sizeof(LOS_MEMBOX_INFO)) / boxInfo->uwBlkSize; 
  27.     boxInfo->uwBlkCnt = 0; 
  28. ⑷  if (boxInfo->uwBlkNum == 0) { 
  29.         MEMBOX_UNLOCK(intSave); 
  30.         return LOS_NOK; 
  31.     } 
  32.  
  33. ⑸  node = (LOS_MEMBOX_NODE *)(boxInfo + 1); 
  34.  
  35. ⑹  boxInfo->stFreeList.pstNext = node; 
  36.  
  37. ⑺  for (index = 0; index < boxInfo->uwBlkNum - 1; ++index) { 
  38.         node->pstNext = OS_MEMBOX_NEXT(node, boxInfo->uwBlkSize); 
  39.         node = node->pstNext; 
  40.     } 
  41.  
  42.     node->pstNext = NULL; 
  43.  
  44. #if (LOSCFG_PLATFORM_EXC == 1) 
  45.     OsMemBoxAdd(pool); 
  46. #endif 
  47.  
  48.     MEMBOX_UNLOCK(intSave); 
  49.  
  50.     return LOS_OK; 
  51. } 

 2.2 清除静态内存块内容

我们可以使用函数VOID LOS_MemboxClr(VOID *pool, VOID *box)来清除静态内存块中的数据区内容，需要2个参数，VOID *pool是初始化过的静态内存池地址。VOID *box是需要清除内容的静态内存块的数据区的起始地址，注意这个不是内存块的节点地址，每个内存块的节点区不能清除。下面分析下源码。

⑴处对参数进行校验，⑵处调用memset_s()函数把内存块的数据区写入0。写入的开始地址是内存块的数据区的起始地址VOID *box，写入长度是数据区的长度boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE。

  1. VOID LOS_MemboxClr(VOID *pool, VOID *box) 
  2. { 
  3.     LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool; 
  4.  
  5. ⑴  if ((pool == NULL) || (box == NULL)) { 
  6.         return; 
  7.     } 
  8.  
  9. ⑵  (VOID)memset_s(box, (boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE), 0, 
  10.                    (boxInfo->uwBlkSize - OS_MEMBOX_NODE_HEAD_SIZE)); 
  11. } 

 2.3 申请、释放静态内存

初始化静态内存池后，我们可以使用函数VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pool)来申请静态内存，下面分析下源码。

⑴处获取静态内存池空闲内存块链表头结点，如果链表不为空，执行⑵，把下一个可用节点赋值给nodeTmp。⑶处把链表头结点执行下一个的下一个链表节点，然后执行⑷把分配出来的内存块设置魔术字，接着把内存池已用内存块数量加1。⑸处返回时调用宏OS_MEMBOX_USER_ADDR()计算出内存块的数据区域地质。

  1. VOID *LOS_MemboxAlloc(VOID *pool) 
  2. { 
  3.     LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool; 
  4.     LOS_MEMBOX_NODE *node = NULL; 
  5.     LOS_MEMBOX_NODE *nodeTmp = NULL; 
  6.     UINT32 intSave; 
  7.  
  8.     if (pool == NULL) { 
  9.         return NULL; 
  10.     } 
  11.  
  12.     MEMBOX_LOCK(intSave); 
  13. ⑴  node = &(boxInfo->stFreeList); 
  14.     if (node->pstNext != NULL) { 
  15. ⑵      nodeTmp = node->pstNext; 
  16. ⑶      node->pstNext = nodeTmp->pstNext; 
  17. ⑷      OsMemBoxSetMagic(nodeTmp); 
  18.         boxInfo->uwBlkCnt++; 
  19.     } 
  20.     MEMBOX_UNLOCK(intSave); 
  21.  
  22. ⑸  return (nodeTmp == NULL) ? NULL : OS_MEMBOX_USER_ADDR(nodeTmp); 
  23. } 

 对申请的内存块使用完毕，我们可以使用函数UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pool, VOID *box)来释放静态内存，需要2个参数，VOID *pool是初始化过的静态内存池地址。VOID *box是需要释放的静态内存块的数据区的起始地址，注意这个不是内存块的节点地址。下面分析下源码。

⑴处根据待释放的内存块的数据区域地址获取节点地址node，⑵对要释放的内存块先进行校验。⑶处把要释放的内存块挂在内存池空闲内存块链表上，然后执行⑷把已用数量减1。

  1. LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 LOS_MemboxFree(VOID *pool, VOID *box) 
  2. { 
  3.     LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo = (LOS_MEMBOX_INFO *)pool; 
  4.     UINT32 ret = LOS_NOK; 
  5.     UINT32 intSave; 
  6.  
  7.     if ((pool == NULL) || (box == NULL)) { 
  8.         return LOS_NOK; 
  9.     } 
  10.  
  11.     MEMBOX_LOCK(intSave); 
  12.     do { 
  13. ⑴      LOS_MEMBOX_NODE *node = OS_MEMBOX_NODE_ADDR(box); 
  14. ⑵      if (OsCheckBoxMem(boxInfo, node) != LOS_OK) { 
  15.             break; 
  16.         } 
  17.  
  18. ⑶      node->pstNext = boxInfo->stFreeList.pstNext; 
  19.         boxInfo->stFreeList.pstNext = node; 
  20. ⑷      boxInfo->uwBlkCnt--; 
  21.         ret = LOS_OK; 
  22.     } while (0); 
  23.     MEMBOX_UNLOCK(intSave); 
  24.  
  25.     return ret; 
  26. } 

 接下来，我们再看看校验函数OsCheckBoxMem()。⑴如果内存池的块大小为0，返回校验失败。⑵处计算出要释放的内存快节点相对第一个内存块节点的偏移量offset。⑶如果偏移量除以内存块数量余数不为0，返回校验失败。⑷如果偏移量除以内存块数量的商大于等于内存块的数量，返回校验失败。⑸调用宏OsMemBoxCheckMagic校验魔术字。

  1. STATIC INLINE UINT32 OsCheckBoxMem(const LOS_MEMBOX_INFO *boxInfo, const VOID *node) 
  2. { 
  3.     UINT32 offset; 
  4.  
  5. ⑴  if (boxInfo->uwBlkSize == 0) { 
  6.         return LOS_NOK; 
  7.     } 
  8.  
  9. ⑵  offset = (UINT32)((UINTPTR)node - (UINTPTR)(boxInfo + 1)); 
  10. ⑶  if ((offset % boxInfo->uwBlkSize) != 0) { 
  11.         return LOS_NOK; 
  12.     } 
  13.  
  14. ⑷  if ((offset / boxInfo->uwBlkSize) >= boxInfo->uwBlkNum) { 
  15.         return LOS_NOK; 
  16.     } 
  17.  
  18. ⑸   return OsMemBoxCheckMagic((LOS_MEMBOX_NODE *)node); 
  19. } 

 小结

本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核的静态内存模块的源代码，包含静态内存的结构体、静态内存池初始化、静态内存申请、释放、清除内容等。后续也会陆续推出更多的分享文章，敬请期待。

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