【01】SylixOS下LWIP的实现---动态内存管理

总的来说，LWIP的动态内存管理机制可以有三种：C运行时库自带的内存分配策略、动态内存堆(HEAP)分配策略和动态内存池(POOL)分配策略。

动态内存堆分配策略和C运行时库自带的内存分配策略具有很大的相似性，这是LWIP模拟运行时库分配策略实现的。这两种策略使用者只能从中选择一种，这通过头文件lwippools.h中的宏定义MEM_LIBC_MALLOC来实现的，当它被定义为1时则使用标准C运行时库自带的内存分配策略，而为0时则使用LWIP自身的动态内存堆分配策略。一般情况下，我们选择使用LWIP自身的动态内存堆分配策略，这里不对C运行时库自带的内存分配策略进行讨论。

同时，动态内存堆分配策略可以有两种实现方式，第一种就是如前所述的通过开辟一个内存堆，然后通过模拟C运行时库的内存分配策略来实现。第二种就是通过动态内存池的方式来实现，也即动态内存堆分配函数通过简单调用动态内存池(POOL)分配函数来完成其功能，在这种情况下，用户需要在头文件lwippools.h中定义宏MEM_USE_POOLS和MEM_USE_CUSTOM_POOLS为1，同时还要开辟一些额外的缓冲池区，如下：

LWIP_MALLOC_MEMPOOL_START
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(20, 256)
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(10, 512)
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(5, 1512)
LWIP_MALLOC_MEMPOOL_END

这是标准C库malloc()的轻量级替换。
如果您想使用标准的C库malloc()，请在lwipopts.h中将MEM_LIBC_MALLOC（lwip_config.h）定义为1
让mem_malloc()使用池(防止碎片和一堆要快得多,但可能会浪费一些内存),定义MEM_USE_POOLS 1（SylixOS默认为0）,定义MEMP_USE_CUSTOM_POOLS 1（SylixOS默认为0）和创建一个文件“lwippools.h”包括一系列这样的池(可以添加更多池之间的地方和_END):
定义三个大小为256、512和1512字节的池

这几句摘自LWIP源码注释部分，表示为动态内存堆相关功能函数分配20个256字节长度的内存块，10个512字节的内存块，5个1512字节的内存块。内存池管理会根据以上的宏自动在内存中静态定义一个大片内存用于内存池。在内存分配申请的时候，自动根据所请求的大小，选择最适合他长度的池里面去申请，如果启用宏 MEM_USE_POOLS_TRY_BIGGER_POOL（SylixOS默认为0），那么，如果上述的最适合长度的池中没有空间可以用了，分配器将从更大长度的池中去申请，不过这样会浪费更多的内存，但是可以使系统更加可靠稳定。

动态内存池

申请大小必须是指定几个固定值（4,、8、16），系统将所有可用区域以固定大小的单位进行划分，然后用简单链表将所有空闲块连接起来。链表中所有节点大小相同，分配，释放都非常简单。这种方式可以用来对某种固定的数据结构进行空间地址分配(如TCP首部，UDP首部，IP首部，以太网首部等等）。
LwIP源文件中memp.c和memp.h搞定了动态内存池分配策略问题。为什么LWIP需要有POOL?因为协议栈里面有大量的协议首部，这些协议首部长度都是固定不变的，所以我们可以首先分配固定内存，给这些固定长度的协议首部，以后每次需要处理协议首部的时候，都直接使用这些已经分配的内存，不需要重新分配内存区域。达到一个地方分配，多个地方使用的作用。

memp_std.h

#ifndef LWIP_MALLOC_MEMPOOL
/* 这样对待“malloc池”就像对待任何其他池一样。池稍微大一些，以提供“大小”作为用户数据量。 */
#define LWIP_MALLOC_MEMPOOL(num, size) LWIP_MEMPOOL(POOL_##size, num, (size + LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(sizeof(struct memp_malloc_helper))), "MALLOC_"#size)
#define LWIP_MALLOC_MEMPOOL_START
#define LWIP_MALLOC_MEMPOOL_END
#endif /* LWIP_MALLOC_MEMPOOL */#ifndef LWIP_PBUF_MEMPOOL
/* 这将“pbuf池”对待任何其他池一样。* 为pbuf结构和负载大小分配缓冲区 */
#define LWIP_PBUF_MEMPOOL(name, num, payload, desc) LWIP_MEMPOOL(name, num, (LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(sizeof(struct pbuf)) + LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(payload)), desc)
#endif /* LWIP_PBUF_MEMPOOL *//** LWIP使用的内部池列表。** LWIP_MEMPOOL(pool_name, number_elements, element_size, pool_description)*    创建存储池名称MEMP_pool_name。描述用于stats.c*    shell命令下使用netstat -s 最后一部分会输出相关的内存池使用状况*/
#if LWIP_RAW
LWIP_MEMPOOL(RAW_PCB,        MEMP_NUM_RAW_PCB,         sizeof(struct raw_pcb),        "RAW_PCB")
#endif /* LWIP_RAW */#if LWIP_UDP
LWIP_MEMPOOL(UDP_PCB,        MEMP_NUM_UDP_PCB,         sizeof(struct udp_pcb),        "UDP_PCB")
#endif /* LWIP_UDP */#if LWIP_TCP
LWIP_MEMPOOL(TCP_PCB,        MEMP_NUM_TCP_PCB,         sizeof(struct tcp_pcb),        "TCP_PCB")
LWIP_MEMPOOL(TCP_PCB_LISTEN, MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN,  sizeof(struct tcp_pcb_listen), "TCP_PCB_LISTEN")
LWIP_MEMPOOL(TCP_SEG,        MEMP_NUM_TCP_SEG,         sizeof(struct tcp_seg),        "TCP_SEG")
#endif /* LWIP_TCP */#if LWIP_ALTCP && LWIP_TCP
LWIP_MEMPOOL(ALTCP_PCB,      MEMP_NUM_ALTCP_PCB,       sizeof(struct altcp_pcb),      "ALTCP_PCB")
#endif /* LWIP_ALTCP && LWIP_TCP */#if LWIP_IPV4 && IP_REASSEMBLY
LWIP_MEMPOOL(REASSDATA,      MEMP_NUM_REASSDATA,       sizeof(struct ip_reassdata),   "REASSDATA")
#endif /* LWIP_IPV4 && IP_REASSEMBLY */
#if (IP_FRAG && !LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF) || (LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_FRAG)
LWIP_MEMPOOL(FRAG_PBUF,      MEMP_NUM_FRAG_PBUF,       sizeof(struct pbuf_custom_ref),"FRAG_PBUF")
#endif /* IP_FRAG && !LWIP_NETIF_TX_SINGLE_PBUF || (LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_FRAG) */#if LWIP_NETCONN || LWIP_SOCKET
LWIP_MEMPOOL(NETBUF,         MEMP_NUM_NETBUF,          sizeof(struct netbuf),         "NETBUF")
LWIP_MEMPOOL(NETCONN,        MEMP_NUM_NETCONN,         sizeof(struct netconn),        "NETCONN")
#endif /* LWIP_NETCONN || LWIP_SOCKET */#if NO_SYS==0
LWIP_MEMPOOL(TCPIP_MSG_API,  MEMP_NUM_TCPIP_MSG_API,   sizeof(struct tcpip_msg),      "TCPIP_MSG_API")
#if LWIP_MPU_COMPATIBLE
LWIP_MEMPOOL(API_MSG,        MEMP_NUM_API_MSG,         sizeof(struct api_msg),        "API_MSG")
#if LWIP_DNS
LWIP_MEMPOOL(DNS_API_MSG,    MEMP_NUM_DNS_API_MSG,     sizeof(struct dns_api_msg),    "DNS_API_MSG")
#endif
#if LWIP_SOCKET && !LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING
LWIP_MEMPOOL(SOCKET_SETGETSOCKOPT_DATA, MEMP_NUM_SOCKET_SETGETSOCKOPT_DATA, sizeof(struct lwip_setgetsockopt_data), "SOCKET_SETGETSOCKOPT_DATA")
#endif
#if LWIP_SOCKET && (LWIP_SOCKET_SELECT || LWIP_SOCKET_POLL)
LWIP_MEMPOOL(SELECT_CB,      MEMP_NUM_SELECT_CB,       sizeof(struct lwip_select_cb), "SELECT_CB")
#endif /* LWIP_SOCKET && (LWIP_SOCKET_SELECT || LWIP_SOCKET_POLL) */
#if LWIP_NETIF_API
LWIP_MEMPOOL(NETIFAPI_MSG,   MEMP_NUM_NETIFAPI_MSG,    sizeof(struct netifapi_msg),   "NETIFAPI_MSG")
#endif
#endif /* LWIP_MPU_COMPATIBLE */
#if !LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING_INPUT
LWIP_MEMPOOL(TCPIP_MSG_INPKT,MEMP_NUM_TCPIP_MSG_INPKT, sizeof(struct tcpip_msg),      "TCPIP_MSG_INPKT")
#endif /* !LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING_INPUT */
#endif /* NO_SYS==0 */#if LWIP_IPV4 && LWIP_ARP && ARP_QUEUEING
LWIP_MEMPOOL(ARP_QUEUE,      MEMP_NUM_ARP_QUEUE,       sizeof(struct etharp_q_entry), "ARP_QUEUE")
#endif /* LWIP_IPV4 && LWIP_ARP && ARP_QUEUEING */#if LWIP_IGMP
LWIP_MEMPOOL(IGMP_GROUP,     MEMP_NUM_IGMP_GROUP,      sizeof(struct igmp_group),     "IGMP_GROUP")
#endif /* LWIP_IGMP */#if LWIP_TIMERS && !LWIP_TIMERS_CUSTOM
LWIP_MEMPOOL(SYS_TIMEOUT,    MEMP_NUM_SYS_TIMEOUT,     sizeof(struct sys_timeo),      "SYS_TIMEOUT")
#endif /* LWIP_TIMERS && !LWIP_TIMERS_CUSTOM */#if LWIP_DNS && LWIP_SOCKET
LWIP_MEMPOOL(NETDB,          MEMP_NUM_NETDB,           NETDB_ELEM_SIZE,               "NETDB")
#endif /* LWIP_DNS && LWIP_SOCKET */
#if LWIP_DNS && DNS_LOCAL_HOSTLIST && DNS_LOCAL_HOSTLIST_IS_DYNAMIC
LWIP_MEMPOOL(LOCALHOSTLIST,  MEMP_NUM_LOCALHOSTLIST,   LOCALHOSTLIST_ELEM_SIZE,       "LOCALHOSTLIST")
#endif /* LWIP_DNS && DNS_LOCAL_HOSTLIST && DNS_LOCAL_HOSTLIST_IS_DYNAMIC */#if LWIP_IPV6 && LWIP_ND6_QUEUEING
LWIP_MEMPOOL(ND6_QUEUE,      MEMP_NUM_ND6_QUEUE,       sizeof(struct nd6_q_entry),    "ND6_QUEUE")
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_ND6_QUEUEING */#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_REASS
LWIP_MEMPOOL(IP6_REASSDATA,  MEMP_NUM_REASSDATA,       sizeof(struct ip6_reassdata),  "IP6_REASSDATA")
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_REASS */#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD
LWIP_MEMPOOL(MLD6_GROUP,     MEMP_NUM_MLD6_GROUP,      sizeof(struct mld_group),      "MLD6_GROUP")
#endif /* LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD *//** LWIP使用的pbuf池的列表。** LWIP_PBUF_MEMPOOL(pool_name, number_elements, pbuf_payload_size, pool_description)*     创建存储池名称MEMP_pool_name。Description用于 stats.c*     这为pbuf结构体和有效负载分配足够的空间。*     (例如:pbuf_payload_size=0只分配struct的大小)*/
LWIP_MEMPOOL(PBUF,           MEMP_NUM_PBUF,            sizeof(struct pbuf),           "PBUF_REF/ROM")
LWIP_PBUF_MEMPOOL(PBUF_POOL, PBUF_POOL_SIZE,           PBUF_POOL_BUFSIZE,             "PBUF_POOL")/** 允许用户定义池;这必须在lwipops .h中明确设置* 因为默认是不寻找lwippools.h*/
#if MEMP_USE_CUSTOM_POOLS
#include "lwippools.h"
#endif /* MEMP_USE_CUSTOM_POOLS *//** REQUIRED CLEANUP:清除，这样我们就不会在以后出现“multiply defined”错误* (#undef被忽略的东西是没有定义的)*/
#undef LWIP_MEMPOOL
#undef LWIP_MALLOC_MEMPOOL
#undef LWIP_MALLOC_MEMPOOL_START
#undef LWIP_MALLOC_MEMPOOL_END
#undef LWIP_PBUF_MEMPOOL

动态内存堆分配策略原理就是在一个事先定义好大小的内存块中进行管理，其内存分配的策略是采用最快合适（First Fit）方式，只要找到一个比所请求的内存大的空闲块，就从中切割出合适的块，并把剩余的部分返回到动态内存堆中。分配的内存块有个最小大小的限制，要求请求的分配大小不能小于MIN_SIZE，否则请求会被分配到MIN_SIZE大小的内存空间。一般MIN_SIZE为12字节，在这12个字节中前几个字节会存放内存分配器管理用的私有数据，该数据区不能被用户程序修改，否则导致致命问题。内存释放的过程是相反的过程，但分配器会查看该节点前后相邻的内存块是否空闲，如果空闲则合并成一个大的内存空闲块。采用这种分配策略，其优点就是内存浪费小，比较简单，适合用于小内存的管理，其缺点就是如果频繁的动态分配和释放，可能会造成严重的内存碎片，如果在碎片情况严重的话，可能会导致内存分配不成功。对于动态内存的使用，比较推荐的方法就是分配->释放->分配->释放，这种使用方法能够减少内存碎片。

下面具体来看看LWIP是怎么来实现这些函数的：

mem_init( ) 内存堆的初始化函数，主要是告知内存堆的起止地址，以及初始化空闲列表，由lwip初始化时自己调用，该接口为内部私有接口，不对用户层开放。

当使用池而不是堆或使用C库malloc()时，不使用mem_init。

mem_malloc( ) 申请分配内存。将总共需要的字节数作为参数传递给该函数，返回值是指向最新分配的内存的指针，而如果内存没有分配好，则返回值是NULL，分配的空间大小会收到内存对齐的影响，可能会比申请的略大。返回的内存是“没有“初始化的。这块内存可能包含任何随机的垃圾，你可以马上用有效数据或者至少是用零来初始化这块内存。内存的分配和释放，不能在中断函数里面进行。内存堆是全局变量，因此内存的申请、释放操作做了线程安全保护，如果有多个线程在同时进行内存申请和释放，那么可能会因为信号量的等待而导致申请耗时较长。

void *
mem_malloc(mem_size_t size)
{void *ret = mem_clib_malloc(size + MEM_LIBC_STATSHELPER_SIZE);if (ret == NULL) {MEM_STATS_INC_LOCKED(err);} else {LWIP_ASSERT("malloc() must return aligned memory", LWIP_MEM_ALIGN(ret) == ret);
#if LWIP_STATS && MEM_STATS*(mem_size_t *)ret = size;ret = (u8_t *)ret + MEM_LIBC_STATSHELPER_SIZE;MEM_STATS_INC_USED_LOCKED(used, size);
#endif}return ret;
}

#define mem_clib_malloc tlsf_mem_malloc

Lwip使用tlsf内存管理。
尽可能与不同版本的LwIP兼容
使用sylixos™实时操作系统进行验证

TLSF算法主要是面向实时操作系统提出的，对于RTOS而言，执行时间的确定性是最根本的(吞吐量不一定高)，然而传统的动态内存分配器(DMA, Dynamic Memory Allocator)存在两个主要问题：
1.最坏情况执行时间不确定(not bounded)或者复杂度过高(bounded with a too important bound")
2.碎片化问题(fragmentation)
TLSF的提出较好地解决了以上两个问题: 将动态内存的分配与回收时间复杂度都降到了O(1)时间复杂度，并且采用了Good-fit的分配策略保证系统运行时不会产生过多碎片。

tlsf_lock：tlsf内存自旋锁

mem_calloc( ) 是对mem_malloc( )函数的简单包装，他有两个参数，分别为元素的数目和每个元素的大小，这两个参数的乘积就是要分配的内存空间的大小，与mem_malloc()不同的是它会把动态分配的内存清零。有经验的程序员更喜欢使用mem_ calloc ()，因为这样的话新分配内存的内容就不会有什么问题，调用mem_ calloc ()肯定会清0，并且可以避免调用memset()。

void *
mem_calloc(mem_size_t count, mem_size_t size)
{void *p;size_t alloc_size = (size_t)count * (size_t)size;if ((size_t)(mem_size_t)alloc_size != alloc_size) {LWIP_DEBUGF(MEM_DEBUG | LWIP_DBG_LEVEL_SERIOUS, ("mem_calloc: could not allocate %"SZT_F" bytes\n", alloc_size));return NULL;}/* 分配大小为size的count对象 */p = mem_malloc((mem_size_t)alloc_size);if (p) {/* 内存清零 */memset(p, 0, alloc_size);}return p;
}

动态内存池(POOL)分配策略可以说是一个比较笨的分配策略了，但其分配策略实现简单，内存的分配、释放效率高，可以有效防止内存碎片的产生。不过，他的缺点是会浪费部分内存。

为什么叫POOL？

这点很有趣，POOL有很多种，而这点依赖于用户配置LWIP的方式。例如用户在头文件opt.h文件中定义LWIP_UDP为1，则在编译的时候与UDP类型内存池就会被建立；定义LWIP_TCP为1，则在编译的时候与TCP类型内存池就会被建立。

另外，还有很多其他类型的内存池，如专门存放网络包数据信息的PBUF_POOL、还有上面讲解动态内存堆分配策略时提到的CUSTOM_POOLS等等等等。某种类型的POOL其单个大小是固定的，而分配该类POOL的个数是可以用户配置的，用户应该根据协议栈实际使用状况进行配置。把协议栈中所有的POOL挨个放到一起，并把它们放在一片连续的内存区域，这呈现给用户的就是一个大的缓冲池。所以，所谓的缓冲池的内部组织应该是这样的：开始处放了A类型的POOL池a个，紧接着放上B类型的POOL池b个，再接着放上C类型的POOL池c个….直至最后N类型的POOL池n个。这一点很像UC/OSII中进程控制块和事件控制块，先开辟一堆各种类型的放那，你要用直接来取就是了。注意，这里的分配必须是以单个缓冲池为基本单位的，在这样的情况下，可能导致内存浪费的情况。

下面我来看看在LWIP实现中是怎么开辟出上面所论述的大大的缓冲池的。基本上绝大部分人看到这部分代码都会被打得晕头转向，完全不晓得作者是在干啥，但是仔细理解后，你不得不佩服作者超凡脱俗的代码写能力：

static u8_t memp_memory [ MEM_ALIGNMENT - 1         #define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) + ( (num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size) ) ) #include "lwip/memp_std.h"
];

上面的代码定义了缓冲池所使用的内存缓冲区，很多人肯定会怀疑这到底是不是一个数组的定义。定义一个数组，里面居然还有define和include关键字。解决问题的关键就在于头文件memp_std.h，它里面的东西可以被简化为诸多条LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc)。又由于用了define关键字将LWIP_MEMPOOL (name,num,size,desc)定义为+((num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size)))，所以，memp_std.h被编译后就为一条一条的+（），+（），+（），+（）….所以最终的数组memp_memory 等价定义为：

static u8_t memp_memory [ MEM_ALIGNMENT – 1+（）                         +（）….]；

当然还有个小小的遗留问题，为什么数组要比实际需要的大MEM_ALIGNMENT – 1？作者考虑的是编译器的字对齐问题。

复制上面的数组建立的方法，协议栈还建立了一些与缓冲池管理的全局变量：

memp_num：这个静态数组用于保存各种类型缓冲池的成员数目

memp_sizes：这个静态数组用于保存各种类型缓冲池的结构大小

memp_tab：这个指针数组用于指向各种类型缓冲池当前空闲节点

/** Memory pool descriptor */
struct memp_desc {#if defined(LWIP_DEBUG) || MEMP_OVERFLOW_CHECK || LWIP_STATS_DISPLAY/** Textual description */const char *desc;
#endif /* LWIP_DEBUG || MEMP_OVERFLOW_CHECK || LWIP_STATS_DISPLAY */
#if MEMP_STATS/** Statistics */struct stats_mem *stats;
#endif/** Element size */u16_t size;#if !MEMP_MEM_MALLOC/** Number of elements */u16_t num;/** Base address */u8_t *base;/** First free element of each pool. Elements form a linked list. */struct memp **tab;
#endif /* MEMP_MEM_MALLOC */
};

接下来就是理所当然的实现函数了：

memp_init（）：内存池的初始化，主要是为每种内存池建立链表memp_tab，其链表是逆序的，此外，如果有统计功能使能的话，也把记录了各种内存池的数目。

memp_malloc（）：如果相应的memp_tab链表还有空闲的节点，则从中切出一个节点返回，否则返回空。

memp_free（）：把释放的节点添加到相应的链表memp_tab头上。

从上面的三个函数可以看出，动态内存池分配过程时相当的间接直观啊。

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