Keil C動態(tài)內(nèi)存管理機制分析及改進

1、Keil C動態(tài)內(nèi)存管理機制分析及改進Keil C是常用的嵌入式系統(tǒng)編程工具，它通過init_mempool、mallloe、free等函數(shù)，提供了動態(tài)存儲管理等功能。本文通過 對init_mempool、mallloe和free這3個KeilC庫函數(shù)源代碼的分析，揭示其實現(xiàn)的原理和方法，并對其中的不足作了改進，以 使Keil C編程人員更好地應(yīng)用動態(tài)存儲管理。1相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、變量及說明在Keil C安裝目錄下的c5l lib目錄下，有實現(xiàn)init_mempool、mallloe和free這3個函數(shù)的C源文件init_mere. c、malloc. e 和free. c。下面針對keil C7

2、. 5A版，將其中與動態(tài)存儲管理相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)介紹如下；片 define _MALLOC.MEM_xdata / * 該行在 stdlib. h 文件中法 /struct _mem_ struct _memMALLOC_MEM_ * next / * 單鏈表 * /unsigned int lenj/嫌 下一塊長度 關(guān)/h該結(jié)構(gòu)的next指向堆中的下一空閑內(nèi)存塊，len表示該空閑塊除去該塊首部的struct_mem結(jié)構(gòu)所占的字節(jié)數(shù)后，該塊實際 可用的字節(jié)數(shù)。由于next是一個指向XDATA區(qū)的指針，故在Keil C中應(yīng)用程序所定義的堆空間應(yīng)在XDATA段中定義。在Keil C中，堆中的所有空閑

3、內(nèi)存塊是用一個單鏈表來管理的，struct_mere_即為該鏈表結(jié)點的結(jié)構(gòu)，后面定義的宏AVAIL 為該鏈表的首結(jié)點，為敘述方便，以下將該鏈表稱為AVAIL鏈表。typedef struct_mem_memt_；typedef _memtMALLOC_MEM_ * _memp_ ；_memtMALLOC_MEMmem_avail_ 2： = NULL, 0 ,/決堆中空閑內(nèi)存塊頭結(jié)點* / NULL, 0 ,/*未使用，但對free函數(shù)防止丟失堆空間或誤將鏈表頭加入到堆空間，卻是必須的*/ *筆者注:_mcm_avail_ 1的存在并不能防止堆丟失，見后面fr哉函數(shù)分析* /打#define

4、AVAIL(_meM_avaiLO)全局?jǐn)?shù)組meM_ avail_實際也是struct_mem類型，mem_avail_O的next指向堆中首塊空閑塊。如果堆中已無空閑 內(nèi)存塊，則mem_avail_0的next為NULL(O值)。為使程序代碼簡潔，定義了宏AVAIL來代替_mem_availO。2 init_mempool 函數(shù)剖析函數(shù) int_mempool(void_MALLOC_MEM_* pool，unsigned int size)失敗時將返回0,成功則返回一 1參數(shù)pool指向應(yīng)用程序定義的堆空間，參數(shù)size為堆空間的字節(jié)數(shù)。 如果應(yīng)用程序提供的堆空間太小(size的值太小)，

5、將失去實際意義，故函數(shù)將返回0表示失敗。當(dāng)size參數(shù)足夠大，則會初始化 AVAIL(即_mem_avail_O)，使其next域指向pool參數(shù)所指向的堆空間，len域為pool參數(shù)所指向的堆空間的總字節(jié)數(shù)size。 其在KeilC 7. 5A庫中init_mem. C的源代碼如下： # define HLEN (sizeof(_memt_)4 define MIN_POOL_SIZE (HLEN * 10)int init_mempool (void _MALLCX2_MEM_ * pool, unsigned int size) if (size next = NULL?(AVAIL,

6、next) len = size HLEN； return ( 1) ;/ * 成功 * /在成功執(zhí)行init_mempool函數(shù)后，將得到如圖1所示的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。另外，鏈?zhǔn)捉Y(jié)點AVAIL的len域記錄了整個堆的字節(jié) 數(shù)。鏈?zhǔn)譇VAIL結(jié)點的next域指向的是首塊空閑塊，當(dāng)經(jīng)過多次的malloe函數(shù)而堆中投有空閑內(nèi)存塊時，AVAIL結(jié)點的next 域?qū)镹ULL值。圖1 init_mempool執(zhí)行后的AVAIL鏈表及堆空間很明顯，從上面的if(pool=NULL)pool=1 ； size-；)這部分源代碼來看，如果應(yīng)用程序中pool參數(shù)為空指針(pool為0)時， 顯然不能直接將AVAI

7、L，的next域的值賦為空指針的(即賦為O)。將pool的值改為1,再將size的值減I,這樣，init_mempool 函數(shù)會在XDATA區(qū)中，從地址l開始，取size 一 1個字節(jié)作為堆來使用。如果源程序有定義在XDATA區(qū)的變量，則這些變量 所占的存儲單元也可能會被當(dāng)成堆空間的一部分，這無疑是有潛在風(fēng)險的。部分程序員在調(diào)用init_mempool函數(shù)時，習(xí)慣將pool參數(shù)設(shè)為一個形如0 xAAAA數(shù)字表示的絕對地址，如果不加特別防范， 也是不妥的，因為Keil C可能會在此方式指定的堆空間中分配臨時變量。好的習(xí)慣是定義一個字節(jié)數(shù)組作為堆空間，再將數(shù)組名 作為 pool參數(shù)調(diào)用init_m

8、empool函數(shù)。在Keil C的聯(lián)機文檔中，指明了 init_mempool在應(yīng)用程序中只能被調(diào)用一次，那么，如果多次調(diào)用該函數(shù)又會有什么后果呢？ 從該函數(shù)的源代碼來分析，多次調(diào)用init_mempoo1函數(shù)，會導(dǎo)致重新初始化首結(jié)點AVAIL的next域和len域的值，將使AVAIL 鏈表中的原有管理信息丟失，從而導(dǎo)致一些很難診斷的問題。對此問題，可采用如下保護措施。當(dāng)發(fā)現(xiàn)AVAIL鏈表中已有管理信息時，則返回失敗標(biāo)志，函數(shù)直接返回。具體的方法是檢 查AVAIL結(jié)點的len域，由于其被初始化為零，如果發(fā)現(xiàn)其值非零，則表明init_mempool函數(shù)已被成功調(diào)用過，此時函數(shù)直接 返回。3 ma

9、lloc函數(shù)分析malloc函數(shù)的原形是void *malloc(unsigned intsize)，size參數(shù)為需動態(tài)申請的內(nèi)存塊的字節(jié)數(shù)。malloc函數(shù)的算法是查找AVAIL鏈表中各結(jié)點next指針?biāo)赶虻目臻e內(nèi)存塊。如果某塊的空閑字節(jié)數(shù)size參數(shù)，則停止查找， 并從該塊進行內(nèi)存分配，返回一個指向所分配內(nèi)存塊的指針給應(yīng)用程序。如果沒有找到符合要求的空閑內(nèi)存塊，則返回空指針給 應(yīng)用程序。需要注意的是，AVAIL鏈表中除首結(jié)點AVAIL外，其余各節(jié)點位于堆中各空閑內(nèi)存塊開始處的一個struct_mem_結(jié)構(gòu)中， 其len域為該空閑塊總字節(jié)數(shù)減去sizeof(stiuct_mem)后的值，

10、即該塊實際空閑的字節(jié)數(shù)；next域指向堆中下一空閑內(nèi)存塊。設(shè)鏈表節(jié)點p指向所找到的空閑內(nèi)存塊，如果在p空閑塊分配size個字節(jié)后，剩余的字節(jié)數(shù)不多，則將p塊從AVAIL鏈表中 刪除，然后返回一個指向p塊偏移sizeof(struct_mem)處的指針。如果在p空閑塊分配size個字節(jié)后，該塊仍剩余較多的字節(jié) 數(shù)，則需對該塊進行分割，將多出的這一部分保留在AVAIL鏈表中。(以下部分有省略，全文請見本刊網(wǎng)站一一編者注)4 free函數(shù)分析及改進free函數(shù)的原形是void free(void xdata *memp)，參數(shù)memp指向所要釋放的內(nèi)存塊。在AVAIL鏈表中，各結(jié)點是按其所指空閑內(nèi)存

11、塊開始地址的大小按升序排列的。free函數(shù)的算法是在AVAIL鏈表中查一個節(jié) 點p(其前驅(qū)為q)，當(dāng)p節(jié)點所指空問內(nèi)存塊的地址大于參數(shù)memp所指內(nèi)存塊的起始地址時，則將memp塊插入到該節(jié)點之前， 如沒有找到這樣的節(jié)點，則memp塊插到鏈尾。在插入memp塊時，還將檢查在memp塊的前后是否存在地址相鄰的空閑內(nèi)存 塊，如果有，則將 memp 塊與相鄰塊合并。 (free 庫函數(shù)的部分源代碼見本刊網(wǎng)站一一編者注)值得探討的是最后一段將memp塊與前一塊(q塊)合并的這部分代碼。如果在執(zhí)行此部分代碼之前，q指向首結(jié)點AVAIL，而 此時欲將q塊與memp塊合并，顯然是不合理的。實際上，此時應(yīng)當(dāng)將q的next指針的值設(shè)為memp塊的開始地址pO。由于 KeilC7. 5A中，free庫函數(shù)的源程序中沒有考慮這種特殊情況，因此可能會引發(fā)嚴(yán)重后果。由源代碼分析可知，q指向首結(jié)點AVAIL，而此時如果滿足。memp塊與q塊合并的判定條件，執(zhí)行q1en+=p0 Len+HL, EN和q next=pO next后，不但不能回收內(nèi)存，反而導(dǎo)致memp塊丟失；同時，AVAIL的len域的值也不正確。如果此時 pO 一next又為NULL，則會導(dǎo)致整個堆內(nèi)存的丟失。筆者特在 Keil C7. 5 A 版中設(shè)計了一個示例(見本刊網(wǎng)站)， 用于引發(fā)該錯誤。 要