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42、【OS】【Nuttx】【OSTest】内存监控：堆空间初始化

news 来源：原创 2025/8/14 6:28:12

背景

接上篇blog
41、【OS】【Nuttx】【OSTest】内存监控：堆空间申请
分析了堆空间的申请，下面分析堆管理器如何初始化申请后的堆空间

用户堆空间初始化

回到 umm_initialize 函数，之前 blog 40、【OS】【Nuttx】【OSTest】内存监控：用户堆内存函数 介绍过其相关一些概念
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mm_initialize_pool 只看 mm_initialize 即可，因为 这里 init 指针传的空指针
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根据申请的内存区域初始化堆结构
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堆结构如下所示，主要由3部分组成：堆管理器（mm_heap_s 类型），守卫节点（mm_heapstart，mm_heapend），实际分配节点（mm_allocnode_s 类型）
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mm_heap_s

堆管理器的头部信息如下
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  • mm_lock：互斥锁，用来控制对堆的访问，确保在多线程环境下堆的操作是线程安全的
  • mm_heapsize：堆的总大小，记录堆的最大容量
  • mm_maxused：曾经使用过的最大内存，帮助了解堆的峰值情况
  • mm_curused：已使用内存，反映了当前时刻堆的实际占用情况
  • mm_heapstart：守卫节点，防止堆溢出，指向第一个节点，标志堆开始
  • mm_heapend：守卫节点，防止堆溢出，指向最后一个节点，标志堆结束
  • mm_nodelist：当前未被使用的内存块，数组中的元素提供了不同的入口点，以加速查找空闲内存块的过程，注意，这里 MM_NNODES 表示的是不同大小类别的数量，维护的是不同尺寸内存块类型的总数，不是空闲节点总数
  • mm_delaylist：延迟释放列表，由于某些原因不能立即释放内存的节点会被暂时存储在该列表中
    mm_nodelist 维护内存块如下图所示
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如图，mm_initialize 主要为 mm_heap_s 上下文初始化，比较简单，下面主要来分看看 mm_addregion
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mm_addregion

如定义描述，region 是堆里面的连续的内存区域，由守卫节点和实际分配节点组成，在某些场景下，一个堆里面可以有多个 region，这里只分析对应一个 region 的情况
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这里面比较有意思的一点，在这里 heapbase 对齐的时候额外加了俩节点的空间
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改动可以追溯到2022年8月份的提交
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可以看到在2022年前，这里还只是对 heapstart 对齐，并没有额外俩节点的操作，如果这里注释没看懂，继续往前追溯
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在早些时间 2022 年5月，有过一次提交，但后面回退了，并有了 8 月份那次提交
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可以看出，5月份的提交想对 heapbase 做好字节对齐
在嵌入式系统中，字节对齐是非常重要的概念，涉及到数据结构如何在内存中布局以及处理器如何访问这些数据：

  • 当数据按照总线宽度进行对齐时，处理器可以更高效地进行读写操作。比如对于一个32位的整数，在32位系统上对其存储意味着它的起始地址是4的倍数。这样，处理器可以在一次总线处理中完成对该整数的读写操作。如果不按对齐方式存储，可能需要两次或更多次的总线处理来完成同样的操作，降低效率
  • 某些 ARM 处理器要求32位数据的起始地址必须是4的倍数。如果数据没有正确对齐，会触发硬件异常，如 HardFault
    在这里插入图片描述
    这里 SIZEOF_MM_ALLOCNODE 为 mm_allocnode_s 的数据类型大小，从其定义可以看出这里实现了字节对齐。但为了实现 MM_MIN_CHUNK 对齐，可以看到 W 兄尝试将 SIZEOF_MM_ALLOCNODE 替换成 MM_MIN_CHUNK
    在这里插入图片描述
    但这样不是最佳的办法，因为首先 MM_MIN_CHUNK 是需要对齐最小的 2 的幂，假设 mm_allocnode_s 数据类型的大小为 257 字节，那么就需要对齐到 512 字节，这里面有最大 49% 的字节是浪费掉去做对齐的
    在这里插入图片描述
    而且，这样做只能对齐到 heapstart，无法覆盖到给用户分配数据的区域，此时用户拿到的数据仍可能是非字节对齐的，如下所示
    在这里插入图片描述

为了解决该问题，8月份该 MR被回退了，并提供了新的解决方案，此时也不再使用 MM_MIN_CHUNK 进行字节对齐，并将MM字节对齐的区域覆盖到分配给用户的地址，相较之前确实是个 better solution，不过这里描述有点问题，不是进行的 MM_MIN_CHUNK 对齐，而是 MM_ALIGN_UP 对齐
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改动也可以看出这里非 MM_MIN_CHUNK 对齐，而是 MM_ALIGN_UP，这样不会浪费空间

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示意图如下
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