本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。

內(nèi)存的基本概念

內(nèi)存是計算機系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對于CPU來說的，CPU可以直接尋址的存儲空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過驅(qū)動才能訪問的叫做外存。

ROM RAM Flash

內(nèi)存一般采用半導體存儲單元，分為只讀存儲器（ROM，Read Only Memory）、隨機存儲器（RAM，Random Access Memory）ROM一般只能讀取不能寫入，掉電后其中的數(shù)據(jù)也不會丟失。RAM既可以從中讀取也可以寫入，但是掉電后其中的數(shù)據(jù)會丟失。內(nèi)存一般指的就是RAM。

ROM在嵌入式系統(tǒng)中一般用于存儲BootLoader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當硬盤使用。近年來閃存（Flash）已經(jīng)全面代替了ROM在嵌入式系統(tǒng)中的地位，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程的特性，而且斷電也不會丟失數(shù)據(jù)，同時可以快速讀取數(shù)據(jù)。

兩類內(nèi)存管理方式

內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，它是操作系統(tǒng)的核心模塊之一。主要包括內(nèi)存的初始化、分配以及釋放。

從分配內(nèi)存是否連續(xù)，可以分為兩大類。

• 連續(xù)內(nèi)存管理：

  為進程分配的內(nèi)存空間是連續(xù)的，但這種分配方式容易形成內(nèi)存碎片（碎片是難以利用的空閑內(nèi)存，通常是小內(nèi)存），降低內(nèi)存利用率。連續(xù)內(nèi)存管理主要分為單一連續(xù)內(nèi)存管理和分區(qū)式內(nèi)存管理兩種。

• 非連續(xù)內(nèi)存管理：

  將進程分散到多個不連續(xù)的內(nèi)存空間中，可以減少內(nèi)存碎片，內(nèi)存使用率更高。如果分配的基本單位是頁，則稱為分頁內(nèi)存管理；如果基本單位是段，則稱為分段內(nèi)存管理。

當前的操作系統(tǒng)，普遍采用非連續(xù)內(nèi)存管理方式。不過因為分配粒度較大，對于內(nèi)存較小的嵌入式系統(tǒng)，一般采用連續(xù)內(nèi)存管理。本文主要對嵌入式系統(tǒng)中常用的連續(xù)內(nèi)存管理的分區(qū)式內(nèi)存管理進行介紹。

分區(qū)式內(nèi)存管理

分區(qū)式內(nèi)存管理分為固定分區(qū)和動態(tài)分區(qū)。

• 固定分區(qū)：

  事先就把內(nèi)存劃分為若干個固定大小的區(qū)域。分區(qū)大小既可以相等也可以不等。固定分區(qū)易于實現(xiàn)，但是會造成分區(qū)內(nèi)碎片浪費，而且分區(qū)總數(shù)固定，限制了可以并發(fā)執(zhí)行的進程數(shù)量。

• 動態(tài)分區(qū)：

  根據(jù)進程的實際需要，動態(tài)地給進程分配所需內(nèi)存。

動態(tài)分區(qū)式內(nèi)存管理

01

運作機制

動態(tài)分區(qū)管理一般采用 空閑鏈表法，即基于一個雙向鏈表來保存空閑分區(qū)。 對于初始狀態(tài)，整個內(nèi)存塊都會被作為一個大的空閑分區(qū)加入到空閑鏈表中。當進程申請內(nèi)存時，將會從這個空閑鏈表中找到一個大小滿足要求的空閑分區(qū)。如果分區(qū)大于所需內(nèi)存，則從該分區(qū)中拆分出需求大小的內(nèi)存交給進程，并將此拆分出的內(nèi)存從空閑鏈表中移除，剩下的內(nèi)存仍然是一個掛在空閑鏈表中的空閑分區(qū)。

02

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

空閑鏈表法有多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，這里介紹一種較為簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個空閑分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含分區(qū)的大小，以及指向前一個分區(qū)和后一個分區(qū)的指針，這樣就能將各個空閑分區(qū)鏈接成一個雙向鏈表。

03

內(nèi)存分配算法

• First Fit (首次適應算法)

  First Fit要求空閑分區(qū)鏈表以地址從小到大的順序連接。分配內(nèi)存時，從鏈表的第一個空閑分區(qū)開始查找，將最先能夠滿足要求的空閑分區(qū)分配給進程。

• Next Fit (循環(huán)首次適應算法)

  Next Fit由First Fit算法演變而來。分配內(nèi)存時，從上一次剛分配過的空閑分區(qū)的下一個開始查找，直至找到能滿足要求的空閑分區(qū)。查找時會采用循環(huán)查找的方式，即如果直到鏈表最后一個空閑分區(qū)都不能滿足要求，則返回到第一個空閑分區(qū)開始查找。

• Best Fit (最佳適應算法)

  從所有空閑分區(qū)中找出能滿足要求的、且大小最小的空閑分區(qū)。為了加快查找速度，Best Fit算法會把所有空閑分區(qū)按其容量從小到大的順序鏈接起來，這樣第一次找到的滿足大小要求的內(nèi)存必然是最小的空閑分區(qū)。

• Worst Fit (最壞適應算法)

  從所有空閑分區(qū)中找出能滿足要求的、且大小最大的空閑分區(qū)。Worst Fit算法按其容量從大到小的順序鏈接所有空閑分區(qū)。

• Two LevelSegregated Fit (TLSF)

  使用兩層鏈表來管理空閑內(nèi)存，將空閑分區(qū)大小進行分類，每一類用一個空閑鏈表表示，其中的空閑內(nèi)存大小都在某個特定值或者某個范圍內(nèi)。這樣存在多個空閑鏈表，所以又用一個索引鏈表來管理這些空閑鏈表，該表的每一項都對應一種空閑鏈表，并記錄該類空閑鏈表的表頭指針。

圖中，第一層鏈表將空閑內(nèi)存塊的大小根據(jù)2的冪進行分類。第二層鏈表是具體的每一類空閑內(nèi)存塊按照一定的范圍進行線性分段。

比如25這一類，以23即8分為4個內(nèi)存區(qū)間

【25，25+8），

【25+8，25+16），

【25+16，25+24），

【25+24，25+32）；

216這一類，以214分為4個小區(qū)間

【216，216+214），

【216+214，216+2*214），

【216+2*214，216+3*214），

【216+3*214，216+4*214）。

同時為了快速檢索到空閑塊，每一層鏈表都有一個bitmap用于標記對應的鏈表中是否有空閑塊，比如第一層bitmap后3位010，表示25這一類內(nèi)存區(qū)間有空閑塊。對應的第二層bitmap為0100表示【25+16，25+24）這個區(qū)間有空閑塊，即下面的52Byte。

• Buddysystems（伙伴算法）

  Segregated Fit算法的變種，具有更好的內(nèi)存拆分和回收合并效率。伙伴算法有很多種類，比如BinaryBuddies，F(xiàn)ibonacci Buddies等。Binary Buddies是最簡單也是最流行的一種，將所有空閑分區(qū)根據(jù)分區(qū)的大小進行分類，每一類都是具有相同大小的空閑分區(qū)的集合，使用一個空閑雙向鏈表表示。BinaryBuddies中所有的內(nèi)存分區(qū)都是2的冪次方。

  因為無論是已分配的或是空閑的分區(qū)，其大小均為 2 的冪次方，即使進程申請的內(nèi)存小于分配給它的內(nèi)存塊，多余的內(nèi)存也不會再拆分出來給其他進程使用，這樣就容易造成內(nèi)部碎片。

當進程申請一塊大小為n的內(nèi)存時的分配步驟為：

1. 計算一個i值，使得2i-1<n≤2i。

2. 在空閑分區(qū)大小為2i的空閑鏈表中查找。

3. 如果找到空閑塊，則分配給進程。

4. 如果2i的空閑分區(qū)已經(jīng)耗盡，則在分區(qū)大小為2i+1的空閑鏈表中查找。

5. 如果存在2i+1的空閑分區(qū)，則將此空閑塊分為相等的兩個分區(qū)，這兩分區(qū)就是一對伙伴，其中一塊分配給進程，另一塊掛到分區(qū)大小為2i的空閑鏈表中。

6. 如果2i+1的空閑分區(qū)還是不存在，則繼續(xù)查找大小為2i+2的空閑分區(qū)。如果找到，需要進行兩次拆分。第一次拆分為兩塊大小為2i+1的分區(qū)，一塊分區(qū)掛到大小為2i+1的空閑鏈表中，另一塊分區(qū)繼續(xù)拆分為兩塊大小為2i的空閑分區(qū)，一塊分配給進程，另一塊掛到大小為2i的空閑鏈表中。

7. 如果2i+2的空閑分區(qū)也找不到，則繼續(xù)查找2i+3，以此類推。

在 內(nèi)存回收 時， 如果待回收的內(nèi)存塊與空閑鏈表中的一塊內(nèi)存互為伙伴，則將它們合并為一塊更大的內(nèi)存塊， 如果合并后的內(nèi)存塊在空閑鏈表中還有伙伴，則繼續(xù)合并到不能合并為止，并將合并后的內(nèi)存塊掛到對應的空閑鏈表中。

下面的表格對上面6種算法的優(yōu)缺點進行了比較：

內(nèi)存算法	優(yōu)點	缺點
First Fit	高地址空間大空閑塊被保留	低地址空間被不斷拆分，造成碎片；每次都從第一個空閑分區(qū)開始查找，增加了查找時的系統(tǒng)開銷
Next Fit	空閑分區(qū)分布比較均勻，算法開銷小	缺乏大內(nèi)存空閑塊
Best Fit	用最小內(nèi)存滿足要求，保留大內(nèi)存空閑塊	每次分配后所拆分出來的剩余空閑內(nèi)存總是最小的，造成許多小碎片，算法開銷大
Worst Fit	每次分配后所拆分出來的剩余空閑內(nèi)存仍較大，減少小碎片產(chǎn)生	缺乏大內(nèi)存空閑塊，算法開銷大
TLSF	查找效率高，時間復雜度小，碎片問題表現(xiàn)良好	內(nèi)存回收時算法復雜，系統(tǒng)開銷大
Buddy systems	內(nèi)部碎片比較嚴重	外部碎片較少

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