RT-Thread快速入门-内存池

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引言

上篇文章介绍了动态内存堆相关的内容：

RT-Thread快速入门-动态内存堆管理

这篇文章继续介绍 RT-Thread 内存管理剩下的部分——内存池。

为何引入内存池？

内存堆虽然方便灵活，但是存在明显的缺点：

分配效率低。每次分配内存的时候，都需要查找空闲内存块。
容易产生内存碎片。

为了规避这两个问题，RT-Thread 提供了内存池（Memory Pool）的管理机制。

理解内存池

内存池用于分配大小相同的小内存块，可以极大地提高内存分配和释放的速度，且避免内存碎片。

内存池的其他优点：支持线程挂起。内存池无空闲内存块时，申请线程会被挂起，直到有可用内存块。

简单理解，就是将相同大小的内存块通过某种方式放在一起，就好比将各个内存块放在类似于水池的容器里，需要用的时候，就从这个池子里取。

１. 内存块工作机制

使用内存池需要以下几个步骤：

创建内存池。先向系统申请一块大的内存。
分割大内存块。将申请成功过的大内存块，分成多个同样大小的小内存块。
连接小内存块。以链表的形式，将各个小内存块连接起来。
分配内存块。在用户申请内存块时，从空闲链表中取出第一个内存块给申请者。

内存池工作机制如下图所示。

注意：内存池一旦创建并初始化完成后，其内部的内存块大小就固定了，不能再做调整。

２. 内存池控制块

RT-Thread 通过内存池控制块来操作和管理内存池，内存控制块结构体用于存放内存池的一些信息，包括：内存池数据域起始地址、内存块大小和内存块列表，还有内存块与内存块之间连接用的链表结构等等。

其具体的定义由 struct rt_mempool 表示，如下：

struct rt_mempool
{
  struct rt_object parent;  /* 继承自 rt_object 类 */
  
  void *start_address;     /* 内存池数据区域开始地址 */
  rt_size_t size;          /* 内存池数据区域大小 */
  
  rt_size_t block_size;    /* 内存块大小 */
  rt_uint8_t *block_list;  /* 内存块列表 */
  
  /* 内存池数据区域中能够容纳的最大内存块数 */
  rt_size_t block_total_count;
  /* 内存池中空闲的内存块数 */
  rt_size_t block_free_count;
  /* 因为内存块不可用而挂起的线程列表 */
  rt_list_t suspend_thread;
  /* 因为内存块不可用而挂起的线程数 */
  rt_size_t suspend_thread_count;
};
typedef struct rt_mempool* rt_mp_t;

其中，rt_mp_t 表示的是内存池控制块的句柄，即指向内存池结构体的指针。

结构体成员 suspend_thread 形成了一个申请线程等待列表，即当内存池中无可用内存块时，其申请线程允许等待，申请线程将挂起在 suspend_thread 链表上。

内存池管理

RT-Thread 提供了管理内存池的函数接口，包含：

创建 / 初始化内存池
申请内存块
释放内存块
删除 / 脱离内存池

老规矩，本文详细讲解常用的几种函数接口，其他不常用的接口简单介绍，了解即可。

1. 动态创建内存池

RT-Thread 创建内存池，与创建其他内核对象类似，具有两种方式：动态创建、静态初始化。

动态创建内存池是由内核负责完成分配内存池需要的内存资源，包括内存池控制块和内存池缓冲区。创建内存池的函数原型如下：

rt_mp_t rt_mp_create(const char* name,
                      rt_size_t block_count,
                      rt_size_t block_size)

参数 name 内存池的名字；block_count 为内存池中小内存块的个数；block_size 为内存块的大小，单位字节。

创建成功，则返回内存池对象句柄；否则，返回 RT_NULL。

调用 rt_mp_create() 可以创建一个与需求的内存块大小、数目相匹配的内存池。该函数从系统中申请一个内存池对象，自动分配内存池控制块，然后从内存堆中分配一个内存缓冲，该缓冲区大小由内存块数目与块大小计算得到的。

申请的资源准备好后，初始化内存池控制块，然后将内存缓冲区组织成可用于分配的空闲块链表。

注意：动态创建内存池时，需要内存堆资源能够满足要求。

2. 静态初始化内存池

静态方式创建的内存池，所需要的内存资源是由用户自己分配的。需要用户定义一个内存池控制块，并且指定一个内存缓冲区，用于组织内存池。然后调用如下函数，初始化内存池：

rt_err_t rt_mp_init(rt_mp_t mp, const char *name,
                    void *start, rt_size_t size,
                    rt_size_t block_size)

此函数中，参数 mp 为内存池控制块指针；start 为用户指定的缓冲区首地址。size 为内存池数据区域的大小。其他参数与 rt_mp_create() 相同。

初始化成功，返回 RT_EOK；否则，返回 -RT_ERROR。

该函数对内存池进行初始化，将内存池用到的内存空间组织成可用于分配的空闲块链表。内存池中内存块的个数为

size / (block_size + 指针大小)

计算结果向下取整。

3. 分配内存块

内存池创建成功了。接下来就是如何用内存池：分配内存块和释放内存。

从指定的内存池中申请一个内存块，RT-Thread 的函数接口如下：

void *rt_mp_alloc (rt_mp_t mp, rt_int32_t time)

参数 mp 为内存池句柄，即内存池控制块指针；time 为申请超时时间。

分配成功，则返回内存块地址；否则，返回 RT_NULL。

线程调用此函数分配内存块，如果内存池中有可用的内存块，则从内存池的空闲链表上取下一个内存块，并减少空闲块数目，将这个内存块的地址返回给调用线程。

若内存池中没有空闲内存块，则判断超时时间：

超时时间为零，则立即返回 RT_NULL。
超时时间大于零。则把调用线程挂起在这个内存池对象上。

4. 释放内存块

内存块使用完毕之后，必须将其释放掉，否则会造成内存泄漏。释放内存块的函数接口如下：

void rt_mp_free (void *block)

参数 block 为内存块指针。

调用该函数释放内存块过程中，首先通过内存块指针计算得到该内存块所属的内存池，然后把该内存块加入到空闲内存块链表上，并增加内存池可用内存块的数目。

在释放过程中，会判断该内存池对象上是否有挂起线程，若有，则唤醒挂起线程链表上第一个线程。

内存池实战演练

举个栗子。

该栗子以静态方式创建一个内存池。动态创建两个线程，一个线程试图从内存池申请内存块，一个线程释放内存块。

示例代码如下：

#include <rtthread.h>

#define THREAD_PRIORITY    25
#define THREAD_STACK_SIZE  512
#define THREAD_TIMESLICE   5

static rt_uint8_t *ptr[50];
static rt_uint8_t mempool[4096];
static struct rt_mempool mp;

/* 指向线程控制块的指针 */
static rt_thread_t tid1 = RT_NULL;
static rt_thread_t tid2 = RT_NULL;

/* 线程 1 入口 */
static void thread1_mp_alloc(void *parameter)
{
    int i;

    for (i = 0 ; i < 10 ; i++)
    {
        if (ptr[i] == RT_NULL)
        {
            /* 试图申请内存块 50 次，当申请不到内存块时，
                线程 1 挂起， 转至线程 2 运行 */
            ptr[i] = rt_mp_alloc(&mp, RT_WAITING_FOREVER);
            
            if (ptr[i] != RT_NULL)
            {
                rt_kprintf("allocate No.%d\n", i);
            }
        }
        rt_thread_mdelay(1);
    }
}

/* 线程 2 入口， 线程 2 的优先级比线程 1 低，应该线程 1 先获得执行。 */
static void thread2_mp_release(void *parameter)
{
    int i;

    rt_kprintf("thread2 try to release block\n");
    for (i = 0; i < 10 ; i++)
    {
        /* 释放所有分配成功的内存块 */
        if (ptr[i] != RT_NULL)
        {
            rt_kprintf("release block %d\n", i);
            rt_mp_free(ptr[i]);
            ptr[i] = RT_NULL;
        }
        rt_thread_mdelay(1);
    }
}

int main(void)
{
    int i;
    for (i = 0; i < 50; i ++) 
    {
        ptr[i] = RT_NULL;
    }

    /* 初始化内存池对象 */
    rt_mp_init(&mp, "mp1", &mempool[0], sizeof(mempool), 80);

    /* 创建线程1：申请内存池 */
    tid1 = rt_thread_create("thread1", thread1_mp_alloc, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid1 != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(tid1);
    }

    /* 创建线程 2：释放内存池 */
    tid2 = rt_thread_create("thread2", thread2_mp_release, RT_NULL,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY + 1, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid2 != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(tid2);
    }

    return 0;
}

编译运行结果如下：

其他管理函数

上面详细介绍了 RT-Thread 内存池常用的几个接口函数。还有几个相关的函数，在这简单介绍一下，了解了解。

1. 删除动态创建的内存池

删除 rt_mp_create() 函数创建的内存池，需要调用如下函数：

rt_err_t rt_mp_delete(rt_mp_t mp)

这个函数首先唤醒等待在该内存池对象上的所有线程，然后释放掉从内存堆上申请的内存缓冲区。

2. 脱离静态创建的内存池

脱离 rt_mp_init() 函数初始化的内存池，函数接口如下：

rt_err_t rt_mp_detach(rt_mp_t mp)

调用该函数后，内核先唤醒等待在该内存池对象上的所有线程，然后将内存池对象从内核对象管理器中脱离。

小结

利用两篇文章介绍完毕 RT-Thread 内存管理相关的内容：

内存堆管理。内存堆方便灵活，但是容易出现碎片以及分配效率低。
内存池管理。内存池分配速度快，不会产生内存碎片，但是只能申请固定大小的内存块，不够灵活。

各有优缺点，需要根据实际情况选择何种方式进行管理内存。

OK，今天先到这，下次继续。加油~
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理解内存池

内存池管理

内存池实战演练

其他管理函数

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