解析鸿蒙轻内核静态内存的使用

一、前言

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。

• 优点：按需分配。
• 缺点：内存池中可能出现碎片。

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。

• 优点：分配和释放效率高，静态内存池中无碎片。
• 缺点：只能申请到初始化预设大小的内存块，不能按需申请。

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。本文中所涉及的源码，以openharmony liteos-m内核为例，均可以在开源站点获取。

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。

二、静态内存结构体定义和常用宏定义

2.1、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。

⑴  typedef struct tagmembox_node {
        struct tagmembox_node *pstnext; /**< 静态内存池中空闲节点指针，指向下一个空闲节点 */
    } los_membox_node;

⑵  typedef struct los_membox_info {
        uint32 uwblksize;               /**< 静态内存池中空闲节点指针，指向下一个空闲节点 */
        uint32 uwblknum;                /**< 静态内存池的内存块总数量 */
        uint32 uwblkcnt;                /**< 静态内存池的已分配的内存块总数量 */
    #if (loscfg_platform_exc == 1)
        struct los_membox_info *nextmembox; /**< 指向下一个静态内存池 */
    #endif
        los_membox_node stfreelist;     /**< 静态内存池的空闲内存块单向链表 */
    } 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。

2.2、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。

⑴  #define los_membox_aligned(memaddr) (((uintptr)(memaddr) + sizeof(uintptr) - 1) & (~(sizeof(uintptr) - 1)))

⑵  #define os_membox_next(addr, blksize) (los_membox_node *)(void *)((uint8 *)(addr) + (blksize))

⑶  #define os_membox_node_head_size sizeof(los_membox_node)

⑷  #define los_membox_size(blksize, blknum) \
    (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。

⑴  #define os_membox_magic         0xa55a5a00

⑵  #define os_membox_taskid_bits   8

⑶  #define os_membox_max_taskid    ((1 << os_membox_taskid_bits) - 1)

⑷  #define os_membox_taskid_get(addr) (((uintptr)(addr)) & os_membox_max_taskid)

⑸  static inline void osmemboxsetmagic(los_membox_node *node)
    {
        uint8 taskid = (uint8)los_curtaskidget();
        node->pstnext = (los_membox_node *)(os_membox_magic | taskid);
    }

⑹  static inline uint32 osmemboxcheckmagic(los_membox_node *node)
    {
        uint32 taskid = os_membox_taskid_get(node->pstnext);
        if (taskid > (loscfg_base_core_tsk_limit + 1)) {
            return los_nok;
        } else {
            return (node->pstnext == (los_membox_node *)(os_membox_magic | taskid)) ? los_ok : los_nok;
        }
    }

⑺  #define os_membox_user_addr(addr) \
        ((void *)((uint8 *)(addr) + os_membox_node_head_size))

⑻  #define os_membox_node_addr(addr) \
        ((los_membox_node *)(void *)((uint8 *)(addr) - os_membox_node_head_size))

三、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。

3.1、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。

uint32 los_memboxinit(void *pool, uint32 poolsize, uint32 blksize)
{
    los_membox_info *boxinfo = (los_membox_info *)pool;
    los_membox_node *node = null;
    uint32 index;
    uint32 intsave;

⑴  if (pool == null) {
        return los_nok;
    }

    if (blksize == 0) {
        return los_nok;
    }

    if (poolsize < sizeof(los_membox_info)) {
        return los_nok;
    }

    membox_lock(intsave);
⑵  boxinfo->uwblksize = los_membox_aligned(blksize + os_membox_node_head_size);
    if (boxinfo->uwblksize == 0) {
        membox_unlock(intsave);
        return los_nok;
    }
⑶  boxinfo->uwblknum = (poolsize - sizeof(los_membox_info)) / boxinfo->uwblksize;
    boxinfo->uwblkcnt = 0;
⑷  if (boxinfo->uwblknum == 0) {
        membox_unlock(intsave);
        return los_nok;
    }

⑸  node = (los_membox_node *)(boxinfo + 1);

⑹  boxinfo->stfreelist.pstnext = node;

⑺  for (index = 0; index < boxinfo->uwblknum - 1; ++index) {
        node->pstnext = os_membox_next(node, boxinfo->uwblksize);
        node = node->pstnext;
    }

    node->pstnext = null;

#if (loscfg_platform_exc == 1)
    osmemboxadd(pool);
#endif

    membox_unlock(intsave);

    return los_ok;
}

3.2、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。

void los_memboxclr(void *pool, void *box)
{
    los_membox_info *boxinfo = (los_membox_info *)pool;

⑴  if ((pool == null) || (box == null)) {
        return;
    }

⑵  (void)memset_s(box, (boxinfo->uwblksize - os_membox_node_head_size), 0,
                   (boxinfo->uwblksize - os_membox_node_head_size));
}

3.3、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。

void *los_memboxalloc(void *pool)
{
    los_membox_info *boxinfo = (los_membox_info *)pool;
    los_membox_node *node = null;
    los_membox_node *nodetmp = null;
    uint32 intsave;

    if (pool == null) {
        return null;
    }

    membox_lock(intsave);
⑴  node = &(boxinfo->stfreelist);
    if (node->pstnext != null) {
⑵      nodetmp = node->pstnext;
⑶      node->pstnext = nodetmp->pstnext;
⑷      osmemboxsetmagic(nodetmp);
        boxinfo->uwblkcnt++;
    }
    membox_unlock(intsave);

⑸  return (nodetmp == null) ? null : os_membox_user_addr(nodetmp);
}

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。

lite_os_sec_text uint32 los_memboxfree(void *pool, void *box)
{
    los_membox_info *boxinfo = (los_membox_info *)pool;
    uint32 ret = los_nok;
    uint32 intsave;

    if ((pool == null) || (box == null)) {
        return los_nok;
    }

    membox_lock(intsave);
    do {
⑴      los_membox_node *node = os_membox_node_addr(box);
⑵      if (oscheckboxmem(boxinfo, node) != los_ok) {
            break;
        }

⑶      node->pstnext = boxinfo->stfreelist.pstnext;
        boxinfo->stfreelist.pstnext = node;
⑷      boxinfo->uwblkcnt--;
        ret = los_ok;
    } while (0);
    membox_unlock(intsave);

    return ret;
}

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。

static inline uint32 oscheckboxmem(const los_membox_info *boxinfo, const void *node)
{
    uint32 offset;

⑴  if (boxinfo->uwblksize == 0) {
        return los_nok;
    }

⑵  offset = (uint32)((uintptr)node - (uintptr)(boxinfo + 1));
⑶  if ((offset % boxinfo->uwblksize) != 0) {
        return los_nok;
    }

⑷  if ((offset / boxinfo->uwblksize) >= boxinfo->uwblknum) {
        return los_nok;
    }

⑸   return osmemboxcheckmagic((los_membox_node *)node);
}

四、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。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓，建议访问

以上就是解析鸿蒙轻内核静态内存的使用的详细内容，更多关于鸿蒙轻内核静态内存的资料请关注其它相关文章！