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内存管理整体结构

内存管理其实是对一片连续的内存资源进行分配、释放、查找、回收，让多个任务按需使用内存。

堆（heap）：链接脚本划定一块连续的RAM，用来动态分配内存。

块（block）：堆被切分为一个个独立的单元，每个单元为一个块。

整体内存布局如下图：

每块都是8字节块头与用户空间，物理上相邻无间隙，块头8字节是元数据，用户空间是实际载荷。

已分配块布局如下：

next闲置4字节，空闲时是next指针指向free_list链表，已分配时候也是占位不用做链表。

链接脚本分配堆大小：

._user_heap_stack :
{
. = ALIGN(8);
_sheap = .;
PROVIDE ( end = . ); /* libc 用 end 符号表示堆起点 */
PROVIDE ( _end = . );
. = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - 0x400; /* 留 1KB 给 MSP */
_eheap = .;
. = ALIGN(8);
} >RAM

初始化堆空间，堆大小即链接脚本中定义的_eheap - _sheap字节的头。初始化时整个堆空间作为一个空闲块。

块头中包含next指针与size块大小，其中32位机器下size_t是32位的，使用0-30位用于表示块大小，第31位表示是否已经分配，为1则已分配，为0则未分配，此块头大小为8字节，后面的有效载荷也需要8字节对齐，定义如下：

typedef struct block { struct block *next; /* 空闲链表 next (已分配时被用户数据覆盖) */ size_t size; /* 整块大小(含头), bit31=1 表示已分配 */ } block_t;

定义单个实例堆的全部状态，定义如下：

typedef struct { block_t *free_list; // 空闲链表头 size_t total; // 堆总大小 size_t used; // 当前已分配 size_t min_free; // 历史最低剩余 uint8_t inited; // 初始化门控 } heap_t;

其中：

（1）free_list：空闲块挂载到空闲链表。

（2）total：堆的总大小，即_eheap - _sheap。

（3）used：当前已经分配的堆大小。

（4）min_free：历史最低剩余堆大小。

（5）inited：初始化开关，防止重复初始化。

kmalloc

kmalloc通过size大小进行分配内存，必须要求8字节对齐，这里是因为32位机需要4字节对齐，64位机需要8字节对齐，因此为了兼容全部要求8字节对齐，否则会触发HardFault导致系统崩溃。

这里要求的8字节对齐，头结构已经8字节对齐，因此用户空间分配的大小也应该8字节对齐，并且需要向上对齐。

对齐方法如下：

#define MM_ALIGN (8U) #define ALIGN_MASK (MM_ALIGN - 1) #define ALIGN_UP(n) ((size_t)(n) + ALIGN_MASK) & ~(size_t)ALIGN_MASK)

将传入的n即size大小加上对齐字节减1（这是为了保证向上对齐，否则内存会不够），并将对应的低三位清零。

例如：16 16 + (8 - 1) = 23 = 0001 0111 0001 0111 & 1111 1000 = 0010 0000 = 16

18 18 + (8 - 1) = 25 = 0001 1001 0001 1001 & 1111 1000 = 0001 1000 = 24

因此申请的堆空间大小为当前向上对齐8字节的size + 头的总大小。同时为了防止多线程申请，因此申请堆空间过程中需要关闭中断。

分配内存时分为以下两种情况：

（1）按照当前大小分配后块的剩余空间小于16字节，不足以在分配下一个内存，因此直接将当前内存全部给此次分配。

由于使用的单向链表，因此判断该分配块的前一块是否存在，若存在则直接通过前一空闲块链接到下一空闲块，若不存在，则证明当前就是链表头，直接将后面的空闲区域链接到空闲链表。并置31位为1。

（2）若分配后大于或等于16字节，就将当前分割后剩下的块添加到空闲链表等待下一次分配使用。

计算分割后剩余的大小以及位置，同样按照上述判断进行合并空闲区域。并置31位为1。

例如：目前存在一块内存48字节，头部占8字节，用户申请字节32字节，图示

由于后面的空闲在切割后还剩下16字节，因此将其添加到空闲链表等待下一次使用，申请后的内存布局如下：

若块大小还是48字节，若need=40字节，那么会导致剩余空闲空间不足16字节，因此需要全部分配给当前用户，如下：

这里要求大小必须大于16字节是因为块头8字节对齐，用户数据8字节对齐，加在一起至少需要16字节。

kfree

kfree通过传入申请的内存地址进行释放内存。

此处做了三重防护：

（1）保证传入的指针在有效范围，即_sheep到_eheap

（2）必须8字节对齐，块头地址 & 0x7

（3）判断是否已经清理，防止二次释放，通过bit31是否为0判断

实现步骤：

（1）关中断，计算实际块大小，清除标志

（2）找到第一个比用户空间块大的块，这个就是用户block的后继，这个用户空间的前驱指向prev，prev -> block -> cur

（3）判断block的尾部恰好是cur的头部，则这两块内存可合并，向后合并

（4）判断prev的尾部是否为block的头部，若是则两块可合并，向前合并。目的是为了解决碎片化内存

注：这里必须先进行后合并，在进行前合并