Keil C動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理機(jī)制分析及改進(jìn)

　　Keil C是常用的嵌入式系統(tǒng)編程工具，它通過(guò)init_mempool、mallloe、free等函數(shù)，提供了動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理等功能。本文通過(guò)對(duì)init_mempool、mallloe和free這3個(gè)KeilC庫(kù)函數(shù)源代碼的分析，揭示其實(shí)現(xiàn)的原理和方法，并對(duì)其中的不足作了改進(jìn)，以使Keil C編程人員更好地應(yīng)用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理。

　　1 相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、變量及說(shuō)明

　　在Keil C安裝目錄下的c5llib目錄下，有實(shí)現(xiàn)init_mempool、mallloe和free這3個(gè)函數(shù)的C源文件init_mere.c、malloc.e和free.c。下面針對(duì)keil C7.5A版，將其中與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)介紹如下;

　　#define _MALLOC_MEM_xdata /*該行在stdlib.h文件中*/

　　struct __mem__ {

　　struct __mem__ _MALLOC_MEM_ *next; /*單鏈表*/

　　unsigned int len; /*下一塊長(zhǎng)度*/

　　};

　　該結(jié)構(gòu)的next指向堆中的下一空閑內(nèi)存塊，len表示該空閑塊除去該塊首部的struct__mem__結(jié)構(gòu)所占的字節(jié)數(shù)后，該塊實(shí)際可用的字節(jié)數(shù)。由于next是一個(gè)指向XDATA區(qū)的指針，故在Keil C中應(yīng)用程序所定義的堆空間應(yīng)在XDATA段中定義。

　　在Keil C中，堆中的所有空閑內(nèi)存塊是用一個(gè)單鏈表來(lái)管理的，struct_mere_即為該鏈表結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，后面定義的宏AVAIL為該鏈表的首結(jié)點(diǎn)，為敘述方便，以下將該鏈表稱為AVAIL鏈表。

　　typedef struct __mem__ __memt__;

　　typedef __memt__ _MALLOC_MEM_ *__memp__;

　　__memt__ _MALLOC_MEM_ __mem_avail__ [2] = {

　　{ NULL, 0 }, / * 堆中空閑內(nèi)存塊頭結(jié)點(diǎn)* /

　　{ NULL, 0 }, / * 未使用,但對(duì)f ree 函數(shù)防止丟失堆空間或誤將鏈表頭加入到堆空間,卻是必須的* /

　　/ * 筆者注:__mem_avail__ [1]的存在,并不能防止堆丟失,見(jiàn)后面free 函數(shù)分析* /

　　};

　　#define AVAIL (__mem_avail__[0])

　　全局?jǐn)?shù)組__meM_ avail_實(shí)際也是struct__mem__類型，__mem_avail__[O]的next指向堆中首塊空閑塊。如果堆中已無(wú)空閑內(nèi)存塊，則__mem_avail__[0]的next為NULL(0值)。為使程序代碼簡(jiǎn)潔，定義了宏AVAIL來(lái)代替__mem_avail__[O]。

　　2 init_mempool函數(shù)剖析

　　函數(shù)int_mempool(void_MALLOC_MEM_*

　　pool，unsigned int size)失敗時(shí)將返回0，成功則返回一1，參數(shù)pool指向應(yīng)用程序定義的堆空間，參數(shù)size為堆空間的字節(jié)數(shù)。如果應(yīng)用程序提供的堆空間太小(size的值太小)，將失去實(shí)際意義，故函數(shù)將返回0表示失敗。當(dāng)size參數(shù)足夠大，則會(huì)初始化AVAIL(即_mem_avail__[O])，使其next域指向pool參數(shù)所指向的堆空間，len域?yàn)閜ool參數(shù)所指向的堆空間的總字節(jié)數(shù)size。其在KeilC 7.5A庫(kù)中init_mem.C的源代碼如下：

　　#define HLEN ( sizeof (__memt__) )

　　#define MIN_POOL_SIZE ( HLEN * 10)

　　int init_mempool (

　　void _MALLOC_MEM_ *pool, unsigned int size) {

　　if (size < MIN_POOL_SIZE)

　　return(0); / * 失敗* /

　　if (pool = = NULL)

　　{ pool = 1 ; size - - ; }

　　AVAIL.next = pool ;

　　AVAIL.len = size ;

　　(AVAIL.next) -> next = NULL ;

　　(AVAIL.next) -> len = size - HLEN ;

　　return( -1); / * 成功* /

　　}

　　在成功執(zhí)行init_mempool函數(shù)后，將得到如圖1所示的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。另外，鏈?zhǔn)捉Y(jié)點(diǎn)AVAIL的len域記錄了整個(gè)堆的字節(jié)數(shù)。鏈?zhǔn)譇VAIL結(jié)點(diǎn)的next域指向的是首塊空閑塊，當(dāng)經(jīng)過(guò)多次的malloe函數(shù)而堆中投有空閑內(nèi)存塊時(shí)，AVAIL結(jié)點(diǎn)的next域?qū)镹ULL值。

　　很明顯，從上面的if(pool==NULL){pool=1;size--;)這部分源代碼來(lái)看，如果應(yīng)用程序中pool參數(shù)為空指針(pool為0)時(shí)，顯然不能直接將AVAIL，的next域的值賦為空指針的(即賦為O)。將pool的值改為1，再將size的值減l，這樣，init_mempool函數(shù)會(huì)在XDATA區(qū)中，從地址l開始，取size一1個(gè)字節(jié)作為堆來(lái)使用。如果源程序有定義在XDATA區(qū)的變量，則這些變量所占的存儲(chǔ)單元也可能會(huì)被當(dāng)成堆空間的一部分，這無(wú)疑是有潛在風(fēng)險(xiǎn)的。

　　部分程序員在調(diào)用init_mempool函數(shù)時(shí)，習(xí)慣將pool參數(shù)設(shè)為一個(gè)形如0xAAAA數(shù)字表示的絕對(duì)地址，如果不加特別防范，也是不妥的，因?yàn)镵eil C可能會(huì)在此方式指定的堆空間中分配臨時(shí)變量。好的習(xí)慣是定義一個(gè)字節(jié)數(shù)組作為堆空間，再將數(shù)組名作為pool參數(shù)調(diào)用init_mempool函數(shù)。

　　在Keil C的聯(lián)機(jī)文檔中，指明了init_mempool在應(yīng)用程序中只能被調(diào)用一次，那么，如果多次調(diào)用該函數(shù)又會(huì)有什么后果呢?從該函數(shù)的源代碼來(lái)分析，多次調(diào)用init_mempoo1函數(shù)，會(huì)導(dǎo)致重新初始化首結(jié)點(diǎn)AVAIL的next域和len域的值，將使AVAIL鏈表中的原有管理信息丟失，從而導(dǎo)致一些很難診斷的問(wèn)題。

　　對(duì)此問(wèn)題，可采用如下保護(hù)措施。當(dāng)發(fā)現(xiàn)AVAIL鏈表中已有管理信息時(shí)，則返回失敗標(biāo)志，函數(shù)直接返回。具體的方法是檢查AVAIL結(jié)點(diǎn)的len域，由于其被初始化為零，如果發(fā)現(xiàn)其值非零，則表明init_mempool函數(shù)已被成功調(diào)用過(guò)，此時(shí)函數(shù)直接返回。

　　3 malloc函數(shù)分析

　　malloc函數(shù)的原形是void *malloc(unsigned intsize)，size參數(shù)為需動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存塊的字節(jié)數(shù)。

　　malloc函數(shù)的算法是查找AVAIL鏈表中各結(jié)點(diǎn)next指針?biāo)赶虻目臻e內(nèi)存塊。如果某塊的空閑字節(jié)數(shù)≥size參數(shù)，則停止查找，并從該塊進(jìn)行內(nèi)存分配，返回一個(gè)指向所分配內(nèi)存塊的指針給應(yīng)用程序。如果沒(méi)有找到符合要求的空閑內(nèi)存塊，則返回空指針給應(yīng)用程序。

　　需要注意的是，AVAIL鏈表中除首結(jié)點(diǎn)AVAIL外，其余各節(jié)點(diǎn)位于堆中各空閑內(nèi)存塊開始處的一個(gè)struct__mem__結(jié)構(gòu)中，其len域?yàn)樵摽臻e塊總字節(jié)數(shù)減去sizeof(stiuct__mem)后的值，即該塊實(shí)際空閑的字節(jié)數(shù);next域指向堆中下一空閑內(nèi)存塊。

　　設(shè)鏈表節(jié)點(diǎn)p指向所找到的空閑內(nèi)存塊，如果在p空閑塊分配size個(gè)字節(jié)后，剩余的字節(jié)數(shù)不多，則將p塊從AVAIL鏈表中刪除，然后返回一個(gè)指向p塊偏移sizeof(struct__mem)處的指針。如果在p空閑塊分配size個(gè)字節(jié)后，該塊仍剩余較多的字節(jié)數(shù)，則需對(duì)該塊進(jìn)行分割，將多出的這一部分保留在AVAIL鏈表中。(以下部分有省略，全文請(qǐng)見(jiàn)本刊網(wǎng)站——編者注)

　　4 free函數(shù)分析及改進(jìn)

　　free函數(shù)的原形是void free(void xdata *memp)，參數(shù)memp指向所要釋放的內(nèi)存塊。

　　在AVAIL鏈表中，各結(jié)點(diǎn)是按其所指空閑內(nèi)存塊開始地址的大小按升序排列的。free函數(shù)的算法是在AVAIL鏈表中查一個(gè)節(jié)點(diǎn)p(其前驅(qū)為q)，當(dāng)p節(jié)點(diǎn)所指空問(wèn)內(nèi)存塊的地址大于參數(shù)memp所指內(nèi)存塊的起始地址時(shí)，則將memp塊插入到該節(jié)點(diǎn)之前，如沒(méi)有找到這樣的節(jié)點(diǎn)，則memp塊插到鏈尾。在插入memp塊時(shí)，還將檢查在memp塊的前后是否存在地址相鄰的空閑內(nèi)存塊，如果有，則將memp塊與相鄰塊合并。(free庫(kù)函數(shù)的部分源代碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站——編者注)

　　值得探討的是最后一段將memp塊與前一塊(q塊)合并的這部分代碼。如果在執(zhí)行此部分代碼之前，q指向首結(jié)點(diǎn)AVAIL，而此時(shí)欲將q塊與memp塊合并，顯然是不合理的。實(shí)際上，此時(shí)應(yīng)當(dāng)將q的next指針的值設(shè)為memp塊的開始地址p0。由于KeilC7.5A中，free庫(kù)函數(shù)的源程序中沒(méi)有考慮這種特殊情況，因此可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。

　　由源代碼分析可知，q指向首結(jié)點(diǎn)AVAIL，而此時(shí)如果滿足。memp塊與q塊合并的判定條件，執(zhí)行q>1en+=p0一>Len+HL，EN和q一>next=pO一>next后，不但不能回收內(nèi)存，反而導(dǎo)致memp塊丟失;同時(shí)，AVAIL的len域的值也不正確。如果此時(shí)pO一>next又為NULL，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)堆內(nèi)存的丟失。

　　筆者特在Keil C7.5 A版中設(shè)計(jì)了一個(gè)示例(見(jiàn)本刊網(wǎng)站)，用于引發(fā)該錯(cuò)誤。要防止這種錯(cuò)誤，只需將if((((char_MALLOC_MEM_*)q)+q一>len+HLEN)==pO)判定語(yǔ)句改為if((q!=&AVAIL)&&(((char_MALLOC_MEM_*)q)+q一>len+HLEN)==p0)即可。有興趣的可通過(guò)電子郵件與筆者聯(lián)系(cqdoml@sina.com)。