內存池方式的內存管理是一種可計量、高效的內存管理方式，它具有減少內存碎片、提高分配速度、防止內存泄漏等優勢[1]。目前在國內基于內核的內存池大多基于Linux內核[2]。本文主要基于Nucleus操作系統內核來介紹內存池靜態與動態分配在TD-LTE無線綜合測試儀移植中的研究與應用，闡述了在不同分配方式中的內存池結構、分配算法以及適用環境。

1 靜態方式分配內存池
    靜態內存池管理方式中內存池分為池(pool)和塊(partition)。之所以稱之為靜態管理方式，是因為在使用過程中塊的大小是固定的(即在創建過程中塊大小是確定的)。靜態內存池的整體結構如圖1所示，池和塊都有自己的頭，池是由雙向循環鏈表鏈接而成，塊是由單向鏈表鏈接而成，每一塊的頭中還包含了自己屬于哪一個池的屬性。可用塊的信息以單向鏈表的形式存儲于池頭中，并且可用塊與已經分配的塊的個數都在池頭中有記錄。

1.1 靜態內存池的創建
    池頭中的主要參數包括內存池控制塊指針、內存池名（只取8個字符）、起始地址、內存池總大小（字節為單位）、內存池分塊大小（字節為單位）、掛起方式（先進先出或按優先級）等，圖2是仿真器上運行過程中靜態內存池結構體截圖。
    對圖2中兩個結構體鏈表參數說明如下：(1)pm_created：當前已經創建的內存池，采用雙向循環鏈表連接，插入方式是在最后一個節點和首節點間填充；(2)pm_available_list：存儲當前還可用partition的鏈表，結構與塊的頭部結構header_ptr相同（PM_OVERHEAD=8 B小塊的頭header_ptr：單向鏈表，內部有指向下一小塊的指針和所屬大塊的控制塊地址）。

    在Nucleus內核中，內存池的創建主要由函數PMC_Create_Partition_Pool負責，創建流程如下：調用過程中首先進行參數合法性檢測；然后在池頭（控制塊）中寫入各個參數，創建鏈表；之后是一個重要的循環體，負責初始化partition鏈表，分配所有的partition，每個partition的大小在分配時需要在函數傳入參數值的基礎上加8 B，用來存儲header_ptr；最后在內存池線程保護后將新的內存池插入內存池鏈表并計數。
1.2 靜態內存池的分配
    在TD-LTE無線綜合測試儀中分配前由協議棧提供所需要分配的大小，這里主要是放置協議內部配置信息與層間交互原語。由于這些信息的大小固定，只是有幾種不同大小的固定模式，所以很適合采用靜態分配的方式來分配內存，只需要根據數據大小選擇密度合適的內存池即可。移植過程中使用了不同大小的partition構建不同密度的內存池，因此，可根據申請partition的大小來判定用那種密度的內存池，以減少內部碎片的大小。這種方法可以有效避免空間浪費[3]，同時又可提高分配效率。
    在Nucleus內核中靜態內存池的分配主要由函數PMC_Allocate_Partition負責，其主要參數為內存池指針（指向調用的內存指針，不能為NULL，設置為可用內存地址即可）、分配大小和掛起標志位。函數中主要判斷內存池指針是否合法、內存池與partition是否匹配、指向調用的內存指針是否合法、任務掛起標志位是否有效。其分配流程如圖3所示。過程如下：調用內核函數TCT_System_Protect(TCT_Protect)保護內存池同步互斥通道。判斷是否還有可用partition，若有，則將可用數量減1、分配數量加1并更新pm_available_list以及將指向調用內存指針賦值為當前分配的partition地址(partition地址要+8 B刪去頭)；若沒有，則將任務掛起直至有可用Partition才恢復。最后解保護并返回。

1.3 靜態內存池的釋放
    系統采用PMC_Deallocate_Partition函數來完成釋放。流程如下：調用內核函數保護內存池同步互斥通道。判斷是否有等待任務，若有，則分配給這個任務當前partition，再判斷當前任務是否允許被搶占，允許就調用TCT_Control_To_System搶占當前任務、激活等待內存的任務；若沒有，則等待任務，將當前partition重新接入到可用partition列表的頭部。最后調用TCT_Unprotect解保護。
2 動態方式分配內存池
    動態內存池也分為池和塊兩個部分，動態池直接由雙向循環鏈表實現連接。內部塊是動態分配的，由最小可分配空間來限制塊的最小值。與靜態分配不同，動態分配塊也由雙向循環鏈表來鏈接。創建時的初始結構為兩個塊，在申請時動態分割。圖4是仿真器上運行過程中動態內存池與塊的結構體截圖。

    池控制塊結構中dm_memory_list與塊頭結構體相同，池通過dm_memory_list來完成塊搜索；塊頭結構中dm_memory_pool與大塊頭結構相同，通過它來比配大塊。
2.1 動態內存池的創建
    初始化完成時的內存結構：初始化創建完成時內存池中有2個塊，1個大小為總大小減去32 B，包含自己的頭DM_OVERHEAD=16 B，設置為可以狀態free=‘0x01’；1個大小為16 B，只有自己的頭，沒有空間，設置為不可以狀態free=‘0x00’。因此，此時的可用空間為除去池的控制塊外的總大小減去32 B。初始化結構如圖5所示（沒有將池控制塊表示出來）。

    創建時，首先為控制塊指針賦值，內存池大小與最小分區大小進行字對齊校正；判斷控制塊指針、起始地址、最小分配空間、掛起標志是否合法。創建過程如下：初始化控制塊中的各個參數，并按圖5初始化小塊、創建小塊雙向循環鏈表，與靜態分配相同需要先進行線程保護再加入到池動態內存池鏈表。
2.2 動態內存池的申請
    動態申請主要用于操作系統內模塊(如任務、隊列等)的堆棧分配與模塊占用空間的分配。由于在TD-LTE無線綜合測試儀中這些分配的空間大小浮動不定，因此需要使用動態分配內存。Nucleus中動態分配采用首次匹配原則，每一次申請內存時動態分配申請大小加16 B(這個16 B的頭對應剩下的可用空間)的內存池空間，并把分配過的部分設置為不可用狀態free=‘0x00’。
    負責實現的函數是DMC_Allocate_Memory。首先進行各種參數的合法性檢測，然后將分配空間size小于最小分配空間的分配空間大小賦值為最小空間，對size進行字對齊處理，調用線程保護后采用首先匹配法來找適用空間，即：在循環體中先判斷free標志，是空閑塊(free=‘0x01’)，則算出減去本次分配的頭后所剩的空間，當此空間大于本次請求size時進行分配，小于時則移動到下一個塊；若不是空閑塊，則直接把剩余空間設置為0進行后面小于size時移動到下一個塊的判斷。注意：這里用到了控制塊中的dm_search_ptr屬性（結構與小塊的頭相同），該屬性用于記錄開始匹配的起始位置，作為判斷循環體結束的條件之一，如果循環到此處，就表示沒有找到可分配空間。圖6是動態分配的流程圖。

    循環結束后判斷是否找到可用于分配的塊，若找到則進行是否需要分割該可用塊的判斷。條件是這個可用塊的大小大于或等于本次所需空間size+頭大小+最小分配空間的值，若滿足此條件則分割出一個新塊并對其加頭初始化，再計算出剩余可用空間；不滿足此條件則直接計算剩余可用空間。分配的空間標志為非空閑后，把所分配空間的地址賦給指向調用的內存指針（注意去頭）。為提高效率，還需要進行一個簡單處理，即判斷如果在搜索塊時一次性匹配成功，則將dm_search_ptr移向下一個塊。
    如果沒有找到可用塊則將任務掛起等待，沒有采用掛起模式則直接返回NULL給指向調用的內存指針，最后調用TCT_Unprotect解保護。圖7是分配第一塊內存后動態內存池的結構。

2.3 動態內存池的釋放
    釋放過程與靜態類似，需要注意的是，如果相鄰塊有空閑塊需要合并，則合并后把dm_search_ptr指向當前合并的空閑塊。
    動態分配內存的算法復雜度要高于靜態分配，從時間復雜度來看，靜態分配是O(1)、動態是O(n)。但是動態分配的內存利用率要高于靜態分配內存[5]，在實際應用中要結合具體情況決定采用何種分配方式。在本設計中合理使用了兩種分配方式：在靜態分配中進行密度的動態判斷，在動態分配中進行靜態的最小分配大小匹配。動、靜相結合，使操作系統在分配中盡可能地節約內存的同時，有效減少了內存碎片。本分配方式已經運用于TD-LTE無線綜合測試儀中，在實現操作系統基本內存管理功能的同時，滿足了TD-LTE無線綜合測試儀對系統內存資源和調度時間的設計要求。
參考文獻
[1] 馮寶祥，王桂棠.嵌入式實時操作系統Nucleus PLUS在S3C2410A上移植的實現[J].電子設計應用，2007(5)：104-106.
[2] 王小銀，陳莉君.Linux內核中內存池的實現及應用[J]. 西安郵電學院學報，2001，16(4)：40-43.
[3] 張磊，王忠仁.嵌入式系統中一種池式內存管理中應用 [J].實驗科學與技術，2007，5(2)：150-152
[4] LMAS S H.An application-level memory management service[C].ICTTA 2008.3rd International Conference on.7-11 April 2008：1-4.
[5] MUTSCHLER D W.Enhancement of memory pools toward a  multi-threaded implementation of the Joint integrated mission  model(JIMM)[C].WSC 06.Proceedings of the Winter.3-6 Dec.2006：856-862.