「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威廉希尔官方网站 。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。