「正点原子STM32Mini板资料连载」第三十二章 内存管理实验

本帖最后由 正点原子运营官 于 2020-4-13 12:05 编辑

1）实验平台：正点原子STM32mini开发板
2）摘自《正点原子STM32 不完全手册(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第三十二章 内存管理实验
上一章，我们在 STM32 FLASH 写入的时候，需要一个 1024 字节的 16 位数组，实际上占用了 2K 字节，而这个数组几乎只能给 STMFLASH_Write 一个函数使用，其实这是非常浪费内存的一种做法，好的办法是：我需要的时候，申请 2K 字节，用完了我释放掉。这样就不会出现一个大数组仅供一个函数使用的浪费现象了，这种内存的申请与释放，就需要用到内存管理。本章，我们将学习内存管理，实现对内存的动态管理。本章分为如下几个部分：
32.1 内存管理简介
32.2 硬件设计
32.3 软件设计
32.4 下载验证
32.1 内存管理简介
内存管理，是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。内存管理的实现方法有很多种，他们其实最终都是要实现两个函数：malloc 和 free；malloc 函数用于内存申请，free 函数用于内存释放。本章，我们介绍一种比较简单的办法来实现：分块式内存管理。下面我们介绍一下该方法的实现原理，如图 32.1.1 所示：

从上图可以看出，分块式内存管理由内存池和内存管理表两部分组成。内存池被等分为 n块，对应的内存管理表，大小也为 n，内存管理表的每一个项对应内存池的一块内存。内存管理表的项值代表的意义为：当该项值为 0 的时候，代表对应的内存块未被占用，当该项值非零的时候，代表该项对应的内存块已经被占用，其数值则代表被连续占用的内存块数。比如某项值为 10，那么说明包括本项对应的内存块在内，总共分配了 10 个内存块给外部的某个指针。
内寸分配方向如图所示，是从顶→底的分配方向。即首先从最末端开始找空内存。当内存管理刚初始化的时候，内存表全部清零，表示没有任何内存块被占用。
分配原理
当指针 p 调用 malloc 申请内存的时候，先判断 p 要分配的内存块数（m），然后从第 n 项开始，向下查找，直到找到 m 块连续的空内存块（即对应内存管理表项为 0），然后将这 m 个内存管理表项的值都设置为 m（标记被占用），最后，把最后的这个空内存块的地址返回指针 p，完成一次分配。注意，如果当内存不够的时候（找到最后也没找到连续的 m 块空闲内存），则返回 NULL 给 p，表示分配失败。
释放原理
当 p 申请的内存用完，需要释放的时候，调用 free 函数实现。free 函数先判断 p 指向的内存地址所对应的内存块，然后找到对应的内存管理表项目，得到 p 所占用的内存块数目 m（内存管理表项目的值就是所分配内存块的数目），将这 m 个内存管理表项目的值都清零，标记释放，完成一次内存释放。关于分块式内存管理的原理，我们就介绍到这里。
32.2 硬件设计
本章实验功能简介：开机后，显示提示信息，等待外部输入。KEY0 按键用于申请内存，每次申请 2K 字节内存。KEY1 按键用于写数据到申请到的内存里面。WK_UP 按键用于释放内存。DS0 用于指示程序运行状态。本章我们还可以通过 USMART 调试，测试内存管理函数。本实验用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0
2） 四个按键
3） 串口
4） TFTLCD 模块
这些我们都已经介绍过，接下来我们开始软件设计。
32.3 软件设计
打开上一章的工程，由于本章没有用到 FLASH 模拟 EEPROM 功能，所以，先去掉 stmflash.c（此时 HARDWARE 组剩下：key.c、led.c 和 lcd.c）。
然后，我们将内存管理部分单独做一个分组，在工程目录下新建一个 MALLOC 的文件夹，然后新建 malloc.c 和 malloc.h 两个文件，将他们保存在 MALLOC 文件夹下。在上一章的工程里面新建一个 MALLOC 的组，然后将 malloc.c 文件加入到该组，并将MALLOC 文件夹添加到头文件包含路径。
打开 malloc.c 文件，输入如下代码：
#include "malloc.h"
//内存池(4 字节对齐)
//内存池(4 字节对齐)
__align(4) u8 membase[MEM_MAX_SIZE];
//SRAM 内存池
//内存管理表
u16 memmapbase[MEM_ALLOC_TABLE_SIZE];
//SRAM 内存池 MAP
//内存管理参数
const u32 memtblsize=MEM_ALLOC_TABLE_SIZE;
//内存表大小
const u32 memblksize=MEM_BLOCK_SIZE;
//内存分块大小
const u32 memsize=MEM_MAX_SIZE;
//内存总大小
//内存管理控制器
struct _m_mallco_dev mallco_dev=
{
mem_init,
//内存初始化
mem_perused,
//内存使用率
membase,
//内存池
memmapbase,
//内存管理状态表
0,
//内存管理未就绪
};
//复制内存
//*des:目的地址
//*src:源地址
//n:需要复制的内存长度(字节为单位)
void mymemcpy(void *des,void *src,u32 n)
{
u8 *xdes=des;
u8 *xsrc=src;
while(n--)*xdes++=*xsrc++;
}
//设置内存
//*s:内存首地址
//c :要设置的值
//count:需要设置的内存大小(字节为单位)
void mymemset(void *s,u8 c,u32 count)
{
u8 *xs = s;
while(count--)*xs++=c;
}
//内存管理初始化
void mem_init(void)
{
mymemset(mallco_dev.memmap, 0,memtblsize*2);//内存状态表数据清零
mymemset(mallco_dev.membase, 0,memsize); //内存池所有数据清零
mallco_dev.memrdy=1;
//内存管理初始化 OK
}
//获取内存使用率
//返回值:使用率(0~100)
u8 mem_perused(void)
{
u32 used=0;
u32 i;
for(i=0;i)used++;
return (used*100)/(memtblsize);
}
//内存分配(内部调用)
//memx:所属内存块
//size:要分配的内存大小(字节)
//返回值:0XFFFFFFFF,代表错误;其他,内存偏移地址
u32 mem_malloc(u32 size)
{
signed long offset=0;
u16 nmemb; //需要的内存块数
u16 cmemb=0;//连续空内存块数
u32 i;
if(!mallco_dev.memrdy)mallco_dev.init();
//未初始化,先执行初始化
if(size==0)return 0XFFFFFFFF;
//不需要分配
nmemb=size/memblksize;
//获取需要分配的连续内存块数
if(size%memblksize)nmemb++;
for(offset=memtblsize-1;offset>=0;offset--)
//搜索整个内存控制区
{
if(!mallco_dev.memmap[offset])cmemb++; //连续空内存块数增加
else cmemb=0;
//连续内存块清零
if(cmemb==nmemb)
//找到了连续 nmemb 个空内存块
{
for(i=0;i return (offset*memblksize);
//返回偏移地址
}
}
return 0XFFFFFFFF;//未找到符合分配条件的内存块
}
//释放内存(内部调用)
//offset:内存地址偏移
//返回值:0,释放成功;1,释放失败;
u8 mem_free(u32 offset)
{
int i;
if(!mallco_dev.memrdy)//未初始化,先执行初始化
{
mallco_dev.init();
return 1;//未初始化
}
if(offset {
int index=offset/memblksize;
//偏移所在内存块号码
int nmemb=mallco_dev.memmap[index];
//内存块数量
for(i=0;i return 0;
}else return 2;//偏移超区了.
}
//释放内存(外部调用)
//ptr:内存首地址
void myfree(void *ptr)
{
u32 offset;
if(ptr==NULL)return;//地址为 0.
offset=(u32)ptr-(u32)mallco_dev.membase;
mem_free(offset); //释放内存
}
//分配内存(外部调用)
//size:内存大小(字节)
//返回值:分配到的内存首地址.
void *mymalloc(u32 size)
{
u32 offset;
offset=mem_malloc(size);
if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;
else return (void*)((u32)mallco_dev.membase+offset);
}
//重新分配内存(外部调用)
//*ptr:旧内存首地址
//size:要分配的内存大小(字节)
//返回值:新分配到的内存首地址.
void *myrealloc(void *ptr,u32 size)
{
u32 offset;
offset=mem_malloc(size);
if(offset==0XFFFFFFFF)return NULL;
else
{
mymemcpy((void*)((u32)mallco_dev.membase+offset),ptr,size);//拷贝
myfree(ptr);
//释放旧内存
return (void*)((u32)mallco_dev.membase+offset);
//返回新内存首地址
}
}
这里，我们通过内存管理控制器 mallco_dev 结构体（mallco_dev 结构体见 malloc.h），实现
对内存池的管理控制。内存池，定义为：
__align(4) u8 membase[MEM_MAX_SIZE];
//SRAM 内存池
其中，MEM_MAX_SIZE 是在 malloc.h 里面定义的内存池大小。__align(4)定义内存池为 4字节对齐，这个非常重要！如果不加这个限制，在某些情况下（比如分配内存给结构体指针），可能出现错误，所以一定要加上这个。
此部分代码的核心函数为：mem_malloc 和 mem_free，分别用于内存申请和内存释放。思路就是我们在 32.1 接所介绍的那样分配和释放内存，不过这两个函数只是内部调用，外部调用我们使用的是 mymalloc 和 myfree 两个函数。其他函数我们就不多介绍了，保存 malloc.c，然后，
打开 malloc.h，在该文件里面输入如下代码：
#ifndef __MALLOC_H
#define __MALLOC_H
typedef unsigned long u32;
typedef unsigned short u16;
typedef unsigned char u8;
#ifndef NULL
#define NULL 0
#endif
//内存参数设定.
#define MEM_BLOCK_SIZE
32
//内存块大小为 32 字节
#define MEM_MAX_SIZE
42*1024
//最大管理内存 42K
#define MEM_ALLOC_TABLE_SIZE MEM_MAX_SIZE/MEM_BLOCK_SIZE //内存表大小
//内存管理控制器
struct _m_mallco_dev
{
void (*init)(void);
//初始化
u8 (*perused)(void);
//内存使用率
u8 *membase;
//内存池
u16 *memmap;
//内存管理状态表
u8 memrdy;
//内存管理是否就绪
};
extern struct _m_mallco_dev mallco_dev; //在 mallco.c 里面定义
void mymemset(void *s,u8 c,u32 count);
//设置内存
void mymemcpy(void *des,void *src,u32 n);//复制内存
void mem_init(void);
//内存管理初始化函数(外/内部调用)
u32 mem_malloc(u32 size);
//内存分配(内部调用)
u8 mem_free(u32 offset);
//内存释放(内部调用)
u8 mem_perused(void);
//得内存使用率(外/内部调用)
//用户调用函数
void myfree(void *ptr);
//内存释放(外部调用)
void *mymalloc(u32 size);
//内存分配(外部调用)
void *myrealloc(void *ptr,u32 size);
//重新分配内存(外部调用)
#endif
这部分代码，定义了很多关数据：MEM_BLOCK_SIZE 是内存管理最小分配单元，为 32字节。MEM_MAX_SIZE 是内存池总大小，为 42K。MEM_ALLOC_TABLE_SIZE 代表内存池的内存管理表大小。
从这里可以看出，如果内存分块越小，那么内存管理表就越大，当分块为 2 字节 1 个块的时候，内存管理表就和内存池一样大了（管理表的每项都是 u16 类型）。显然是不合适的，我们这里取 32 字节，比例为 1:16，内存管理表相对就比较小了。
其他就不多说了，大家自行看代码理解就好。保存此部分代码。最后，打开 main.c 文件，修改代码如下：
int main(void)
{
u8 key; u8 i=0; u8 *p=0;u8 *tp=0;
u8 paddr[18];
//存放 P Addr:+p 地址的 ASCII 值
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化串口
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//初始化按键
LCD_Init();
//初始化 LCD
mem_init();
//初始化内存池
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"MALLOC TEST");
LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2019/11/15");
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"KEY0:Malloc");
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"KEY1:Write Data");
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"WK_UP:Free");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"SRAM USED: %");
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);//不支持连按
switch(key)
{
case 0: break; //没有按键按下
case 1:
//KEY0 按下
p=mymalloc(2048);
//申请 2K 字节
if(p!=NULL)sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//向p写入内容
break;
case 2:
//KEY1 按下
if(p!=NULL)
{
sprintf((char*)p,"Memory Malloc Test%03d",i);//更新显示内容
LCD_ShowString(60,250,200,16,16,p);
//显示 P 的内容
}
break;
case 3:
//WK_UP 按下
myfree(p);
//释放内存
p=0;
//指向空地址
break;
}
if(tp!=p)
{
tp=p;
sprintf((char*)paddr,"P Addr:0X%08X",(u32)tp);
LCD_ShowString(60,230,200,16,16,paddr); //显示 p 的地址
if(p)LCD_ShowString(60,250,200,16,16,p);//显示 P 的内容
else LCD_Fill(60,250,239,266,WHITE);
//p=0,清除显示
}
delay_ms(10);
i++;
if((i%20)==0)//DS0 闪烁.
{
LCD_ShowNum(60+80,190,mem_perused(),3,16);//显示内存使用率
LED0=!LED0;
}
}
}
该部分代码比较简单，主要是对 mymalloc 和 myfree 的应用。不过这里提醒大家，如果对一个指针进行多次内存申请，而之前的申请又没释放，那么将造成“内存泄露”，这是内存管理所不希望发生的，久而久之，可能导致无内存可用的情况！所以，在使用的时候，请大家一定记得，申请的内存在用完以后，一定要释放。
另外，本章希望利用 USMART 调试内存管理，所以在 USMART 里面添加了 mymalloc 和myfree 两个函数，用于测试内存分配和内存释放。大家可以通过 USMART 自行测试。
32.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK MiniSTM32 开发板上，得到如图
32.4.1 所示界面：

图 32.4.1 程序运行效果图

可以看到，内外内存的使用率均为 0%，说明还没有任何内存被使用，此时我们按下 KEY0，就可以看到内部内存被使用 4%了，同时看到下面提示了指针 p 所指向的地址（其实就是被分配到的内存地址）和内容。多按几次 KEY0，可以看到内存使用率持续上升（注意对比 p 的值，可以发现是递减的，说明是从顶部开始分配内存！），此时如果按下 WK_UP，可以发现内存使用率降低了 4%，但是再按 WK_UP 将不再降低，说明“内存泄露”了。这就是前面提到的对一个指针多次申请内存，而之前申请的内存又没释放，导致的“内存泄露”，在实际使用的时候，必须避免内存泄露。
KEY1 键用于更新 p 的内容，更新后的内容将重新显示在 LCD 模块上面。
本章，我们还可以借助 USMART，测试内存的分配和释放，有兴趣的朋友可以动手试试。如图 32.4.2 所示：

图 32.4.2 USMART 测试内存管理函数

图中，我们先申请了 4660 字节的内存，然后得到申请到的内存首地址为：0X200097FC，说明我们申请内存成功（如果不成功，则会收到 0），然后释放内存的时候，参数是指针的地址，即执行：myfree(0X200097FC)，就可以释放我们申请到的内存。其他情况，大家可以自行测试并分析。