掌握鸿蒙轻内核静态内存的使用，从源码分析开始
摘要：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。
本文分享自华为云社区《鸿蒙轻内核M核源码分析系列八 静态内存Static Memory》，原文作者：zhushy。
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https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 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。
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。
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。
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。
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))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。
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;
}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。
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));
}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。
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);
}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，也欢迎大家分享学习、使用鸿蒙轻内核的心得，有任何问题、建议，都可以留言给我们： https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m/issues 。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓，建议访问 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m ，关注Watch、点赞Star、并Fork到自己账户下，谢谢。
