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Keil C动态内存管理机制分析及改进

gecimao 发表于 2019-04-13 14:52 | 查看: | 回复:

  编程工具,它通过init_mempool、mallloe、free等函数,提供了动态存储管理等功能。本文通过对init_mempool、mallloe和free这3个C库函数源代码的分析,揭示其实现的原理和方法,并对其中的不足作了改进,以使

  该结构的next指向堆中的下一空闲内存块,len表示该空闲块除去该块首部的struct__mem__结构所占的字节数后,该块实际可用的字节数。由于next是一个指向XDATA区的指针,故在Keil C中应用程序所定义的堆空间应在XDATA段中定义。

  在Keil C中,堆中的所有空闲内存块是用一个单链表来管理的,struct_mere_即为该链表结点的结构,后面定义的宏AVAIL为该链表的首结点,为叙述方便,以下将该链表称为AVAIL链表。

  { NULL, 0 }, / * 未使用,但对f ree 函数防止丢失堆空间或误将链表头加入到堆空间,却是必须的* /

  pool,unsigned int size)失败时将返回0,成功则返回一1,参数pool指向应用程序定义的堆空间,参数size为堆空间的字节数。如果应用程序提供的堆空间太小(size的值太小),将失去实际意义,故函数将返回0表示失败。当size参数足够大,则会初始化AVAIL(即_mem_avail__[O]),使其next域指向pool参数所指向的堆空间,len域为pool参数所指向的堆空间的总字节数size。其在KeilC 7.5A库中init_mem.C的源代码如下:

  在成功执行init_mempool函数后,将得到如图1所示的一个数据结构。另外,链首结点AVAIL的len域记录了整个堆的字节数。链首AVAIL结点的next域指向的是首块空闲块,当经过多次的malloe函数而堆中投有空闲内存块时,AVAIL结点的next域将为NULL值。

  很明显,从上面的if(pool==NULL){pool=1;size--;)这部分源代码来看,如果应用程序中pool参数为空指针(pool为0)时,显然不能直接将AVAIL,的next域的值赋为空指针的(即赋为O)。将pool的值改为1,再将size的值减l,这样,init_mempool函数会在XDATA区中,从地址l开始,取size一1个字节作为堆来使用。如果源程序有定义在XDATA区的变量,则这些变量所占的存储单元也可能会被当成堆空间的一部分,这无疑是有潜在风险的。

  部分程序员在调用init_mempool函数时,习惯将pool参数设为一个形如0xAAAA数字表示的绝对地址,如果不加特别防范,也是不妥的,因为Keil C可能会在此方式指定的堆空间中分配临时变量。好的习惯是定义一个字节数组作为堆空间,再将数组名作为pool参数调用init_mempool函数。

  在Keil C的联机文档中,指明了init_mempool在应用程序中只能被调用一次,那么,如果多次调用该函数又会有什么后果呢?从该函数的源代码来分析,多次调用init_mempoo1函数,会导致重新初始化首结点AVAIL的next域和len域的值,将使AVAIL链表中的原有管理信息丢失,从而导致一些很难诊断的问题。

  对此问题,可采用如下保护措施。当发现AVAIL链表中已有管理信息时,则返回失败标志,函数直接返回。具体的方法是检查AVAIL结点的len域,由于其被初始化为零,如果发现其值非零,则表明init_mempool函数已被成功调用过,此时函数直接返回。

  malloc函数的算法是查找AVAIL链表中各结点next指针所指向的空闲内存块。如果某块的空闲字节数size参数,则停止查找,并从该块进行内存分配,返回一个指向所分配内存块的指针给应用程序。如果没有找到符合要求的空闲内存块,则返回空指针给应用程序。

  需要注意的是,AVAIL链表中除首结点AVAIL外,其余各节点位于堆中各空闲内存块开始处的一个struct__mem__结构中,其len域为该空闲块总字节数减去sizeof(stiuct__mem)后的值,即该块实际空闲的字节数;next域指向堆中下一空闲内存块。

  设链表节点p指向所找到的空闲内存块,如果在p空闲块分配size个字节后,剩余的字节数不多,则将p块从AVAIL链表中删除,然后返回一个指向p块偏移sizeof(struct__mem)处的指针。如果在p空闲块分配size个字节后,该块仍剩余较多的字节数,则需对该块进行分割,将多出的这一部分保留在AVAIL链表中。(以下部分有省略,全文请见本刊网站编者注)

  在AVAIL链表中,各结点是按其所指空闲内存块开始地址的大小按升序排列的。free函数的算法是在AVAIL链表中查一个节点p(其前驱为q),当p节点所指空问内存块的地址大于参数memp所指内存块的起始地址时,则将memp块插入到该节点之前,如没有找到这样的节点,则memp块插到链尾。在插入memp块时,还将检查在memp块的前后是否存在地址相邻的空闲内存块,如果有,则将memp块与相邻块合并。(free库函数的部分源代码见本刊网站编者注)

  值得探讨的是最后一段将memp块与前一块(q块)合并的这部分代码。如果在执行此部分代码之前,q指向首结点AVAIL,而此时欲将q块与memp块合并,显然是不合理的。实际上,此时应当将q的next指针的值设为memp块的开始地址p0。由于KeilC7.5A中,free库函数的源程序中没有考虑这种特殊情况,因此可能会引发严重后果。

  由源代码分析可知,q指向首结点AVAIL,而此时如果满足。memp块与q块合并的判定条件,执行q1en+=p0一Len+HL,EN和q一next=pO一next后,不但不能回收内存,反而导致memp块丢失;同时,AVAIL的len域的值也不正确。如果此时pO一next又为NULL,则会导致整个堆内存的丢失。

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