R TOS動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機制的優(yōu)化設(shè)計
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在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。內(nèi)存資源作為嵌入式系統(tǒng)中極為重要的資源之一，其管理機制歷來是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點。內(nèi)存管理機制的優(yōu)劣程度極大地影響著嵌入式系統(tǒng)的整體性能，因此在嵌入式RTOS的內(nèi)存管理機制中必須滿足以下3個要求：
①實時性。在嵌入式RTOS中不僅要求調(diào)度機制的實時性，資源的分配和回收的實時性也十分重要。
②可靠性。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域決定了嵌入式RTOS必須具有高可靠性，而內(nèi)存管理的可靠程度直接影響RTOS的可靠性，因此內(nèi)存管理的可靠性也必不可少。
③高效性。由于嵌入式系統(tǒng)資源的稀缺性，因而高效的資源管理機制也同等重要。
1 動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機制
1．1 動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理概述
在許多小型嵌入式系統(tǒng)中并未實現(xiàn)虛擬內(nèi)存機制，動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機制仍然是首選。分區(qū)存儲管理是滿足多道程序設(shè)計的最簡單的存儲管理方法，它允許多個用戶程序同時存在系統(tǒng)內(nèi)存中，即共享內(nèi)存空間。早期的分區(qū)存儲管理采用固定分區(qū)的方法，把內(nèi)存空間分成若干個大小不等的區(qū)域，稱為分區(qū)。每個用戶程序(作業(yè)、進程)調(diào)入內(nèi)存后，占用其中1個分區(qū)，程序運行完成后釋放該分區(qū)。這種存儲管理方法的主要問題是內(nèi)存使用效率極低，很快就被淘汰了。取而代之的是動態(tài)分區(qū)存儲管理技術(shù)。圖1顯示的是動態(tài)內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
1．2 動態(tài)分區(qū)內(nèi)存分收算法及其性能分析
在動態(tài)內(nèi)存分配機制中一般采用兩種設(shè)計方案：最佳適應(yīng)算法和首次適應(yīng)算法。最佳適應(yīng)算法要求所有的空閑內(nèi)存塊按照內(nèi)存塊的大小，由小到大鏈接在一起。首次適應(yīng)算法中所有的空閑內(nèi)存塊都是按地址由小到大鏈接的。圖2顯示了這2種算法的流程(假設(shè)系統(tǒng)申請的內(nèi)存塊大小為n)。
最佳適應(yīng)算法和首次適應(yīng)算法在分配內(nèi)存的流程上是一致的，然而由于空閑內(nèi)存塊的組織形式不同，其分配的性能也不盡相同。最佳適應(yīng)算法由于每次分配都是首先分配與所要求的內(nèi)存塊大小最接近的空閑內(nèi)存塊，因而其內(nèi)存利用率相對較高。然而由于在內(nèi)存回收過程中需要合并那些地址相鄰的空閑塊，最佳適應(yīng)算法往往需要遍歷整個空閑區(qū)鏈表以尋找符合條件的內(nèi)存塊。而首次適應(yīng)算法由于是按照地址的順序相連，因而在內(nèi)存回收方面有著最佳適應(yīng)算法無法比擬的性能。
圖3顯示了在幾種不同情況下，動態(tài)分區(qū)內(nèi)存回收機制所采取的策略。
在A中，釋放區(qū)回收后合并成新內(nèi)存塊f，其首地址為f1內(nèi)存塊的首地址，大小為f1和R內(nèi)存塊的大小之和。在B中，釋放區(qū)回收后合并成新內(nèi)存塊f，其首地址為R內(nèi)存塊的首地址，大小為f1和R內(nèi)存塊的大小之和。在C中，釋放區(qū)回收后合并成新內(nèi)存塊f，其首地址為f1內(nèi)存塊的首地址，大小為f1和R以及f2內(nèi)存塊的大小之和。在D中，釋放區(qū)回收后不進行合并，直接插入空閑區(qū)鏈表并返回。
動態(tài)分區(qū)內(nèi)存的分配機制有效地避免了內(nèi)存內(nèi)部碎片的存在，同時在內(nèi)存回收策略中使用合并算法也極大地減少了內(nèi)存外部碎片存在的可能性。然而，當(dāng)系統(tǒng)需要分配大量的小塊內(nèi)存時，動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機制的性能卻并不令人滿意。其不足之處主要存在以下2個方面：
①當(dāng)系統(tǒng)分配大量的小塊內(nèi)存后，其空閑區(qū)表或空閑區(qū)隊列將會變得異常龐大。無論是首次適配算法還是最佳適應(yīng)算法都需要遍歷空閑區(qū)搜索合適的內(nèi)存塊，因此過于龐大的空閑區(qū)結(jié)構(gòu)使搜索算法變得低效。
②系統(tǒng)在某些特定的時刻往往會對大量的小塊內(nèi)存進行頻繁分配和回收。頻繁地對小塊內(nèi)存進行分割分配和合并回收，其實時性表現(xiàn)得并不令人滿意。
基于以上2點，如何在動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機制的基礎(chǔ)上優(yōu)化小塊內(nèi)存的管理機制，成為提高動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理性能的關(guān)鍵因素之一。
2 小塊內(nèi)存動態(tài)緩存分配機制
大部分實時操作系統(tǒng)內(nèi)存分配機制并未對大塊內(nèi)存和小塊內(nèi)存的分配做出不同的算法設(shè)計，然而在實際分配過程中，很難用一種分配算法兼顧大小內(nèi)存的高效分配。針對動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機制中對小塊內(nèi)存分配的局限性，提出了小塊內(nèi)存動態(tài)緩存機制。該機制在繼承了動態(tài)分區(qū)管理機制優(yōu)良性能的同時，優(yōu)化了小塊內(nèi)存的管理，對內(nèi)存管理的實時性和高效性都有一定提高。系統(tǒng)中同時存在2種內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別為小塊內(nèi)存和大塊內(nèi)存設(shè)計。大塊內(nèi)存依舊采取動態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機制，而小塊內(nèi)存采取動態(tài)緩存分配。小塊內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
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