LWIP再探----内存池管理

这这里是接上一篇内存池管理部分的，这里如果读者一打开memp.c的话会感觉特别那一理解原作者在干嘛，但是看懂了就明白原作者是怎么巧妙的使用了宏。废话不多说先说了下我分析是一下宏的条件是

前提条件
MEMP_STATS = 0
MEMP_OVERFLOW_CHECK = 0

首先要去简单的看下#include "lwip/priv/memp_std.h"文件的格式，只需要明白这个文件依赖LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc)这个宏，并且在文件结尾将宏清除。

因此出现底下的最难的两块

#define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) LWIP_MEMPOOL_DECLARE(name,num,size,desc)
#include "lwip/priv/memp_std.h"

const struct memp_desc *const memp_pools[MEMP_MAX] = {
#define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) &memp_ ## name,
#include "lwip/priv/memp_std.h"
};

先说第一个，继续追LWIP_MEMPOOL_DECLARE的定义如下，看完继续懵逼中。。。，但是不能慌一个个宏替换出来

#define LWIP_MEMPOOL_DECLARE(name,num,size,desc) 
  LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED(memp_memory_ ## name ## _base, ((num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size)))); 
    
  LWIP_MEMPOOL_DECLARE_STATS_INSTANCE(memp_stats_ ## name) 
    
  static struct memp *memp_tab_ ## name; 
    
  const struct memp_desc memp_ ## name = { 
    DECLARE_LWIP_MEMPOOL_DESC(desc) 
    LWIP_MEMPOOL_DECLARE_STATS_REFERENCE(memp_stats_ ## name) 
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size), 
    (num), 
    memp_memory_ ## name ## _base, 
    &memp_tab_ ## name 
  };

里面相关宏的实现汇总如下

#ifndef LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED
#define LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED(variable_name, size) u8_t variable_name[LWIP_MEM_ALIGN_BUFFER(size)]     
#endif

#define LWIP_MEMPOOL_DECLARE_STATS_INSTANCE(name)      

#define DECLARE_LWIP_MEMPOOL_DESC(desc)

#define LWIP_MEMPOOL_DECLARE_STATS_REFERENCE(name)

#define LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size) (((size) + MEM_ALIGNMENT - 1U) & ~(MEM_ALIGNMENT-1U))

最后就有这样一个过程

#define LWIP_MEMPOOL_DECLARE(name,num,size,desc) 
  LWIP_DECLARE_MEMORY_ALIGNED(memp_memory_ ## name ## _base, ((num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size)))); 
    
  LWIP_MEMPOOL_DECLARE_STATS_INSTANCE(memp_stats_ ## name) 
    
  static struct memp *memp_tab_ ## name; 
    
  const struct memp_desc memp_ ## name = { 
    DECLARE_LWIP_MEMPOOL_DESC(desc) 
    LWIP_MEMPOOL_DECLARE_STATS_REFERENCE(memp_stats_ ## name) 
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size), 
    (num), 
    memp_memory_ ## name ## _base, 
    &memp_tab_ ## name 
  };
  
    |
    |
   |/
   
#define LWIP_MEMPOOL_DECLARE(name,num,size,desc) 
   
  memp_memory_RAW_PCB_base[(num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size)))]; 
  static struct memp *memp_tab_RAW_PCB; 
  const struct memp_desc memp_RAW_PCB = {
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size), 
    (num), 
    memp_memory_RAW_PCB _base,
    &memp_tab_ RAW_PCB 
  };

然后就是这样子的宏替换，此处未全部列举

#define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) LWIP_MEMPOOL_DECLARE(name,num,size,desc)
#include "lwip/priv/memp_std.h"
    |
    |
   |/
  memp_memory_RAW_PCB_base[(num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size)))]; 
  static struct memp *memp_tab_RAW_PCB; 
  const struct memp_desc memp_RAW_PCB = {
    “RAW_PCB”
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size), 
    (num), 
    memp_memory_RAW_PCB _base,
    &memp_tab_ RAW_PCB 
  };
  
  memp_memory_UDP_PCB_base[(num) * (MEMP_SIZE + MEMP_ALIGN_SIZE(size)))]; 
  static struct memp *memp_tab_UDP_PCB; 
  const struct memp_desc memp_UDP_PCB = {
    “UDP_PCB”      
    LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(size), 
    (num), 
    memp_memory_UDP_PCB _base,
    &memp_tab_UDP_PCB
  };  
.
.
.

，同理理解到这里下面继续第二个宏就是同理结果如下

const struct memp_desc *const memp_pools[MEMP_MAX] = {
#define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) &memp_ ## name,
#include "lwip/priv/memp_std.h"
};
    |
    |
   |/

const struct memp_desc *const memp_pools[MEMP_MAX] = {
&memp_RAW_PCB，
&memp_UDP_PCB，
.
.
.
}

注意这里的MEMP_MAX是这样来的

typedef enum {
#define LWIP_MEMPOOL(name,num,size,desc) MEMP_##name,
#include "lwip/priv/memp_std.h"
MEMP_MAX
} memp_t;
|
|
|/
typedef enum {
MEMP_RAW_PCB，
MEMP_UDP_PCB，
.
.
.
MEMP_MAX
} memp_t;

然后这里还还需要了解一个结构体的定义如下，

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 */
  /** 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 */
};

这样memp_pools就将整个mempool的内存串到了一个结构体数组中。要注意此时每个memp_pools中的memp_desc结构体中的memp_tab_UDP_PCB还只是一个指针的指针，并未有具体的实际意义。然后memp_init会进行这一工作，去掉宏不编译的部分
memp_init如下

void memp_init(void)
{
  u16_t i;
  /* for every pool: */
  for (i = 0; i < LWIP_ARRAYSIZE(memp_pools); i++) {
    memp_init_pool(memp_pools[i]);
  }
}

就是循环调用memp_init_pool，接着看去掉宏简化后的memp_init_pool

void
memp_init_pool(const struct memp_desc *desc)
{
  int i;
  struct memp *memp;

  *desc->tab = NULL;
  memp = (struct memp *)LWIP_MEM_ALIGN(desc->base);

  /* create a linked list of memp elements */
  for (i = 0; i < desc->num; ++i) {
    memp->next = *desc->tab;
    *desc->tab = memp;
    memp = (struct memp *)(void *)((u8_t *)memp + MEMP_SIZE + desc->size
  }
}

到这里所有内存池的定义和初始化已经完成了借用野火的一张图，初始化后的pool结构如下

每一个类型的池最后由，tab将所有的空闲池串起来，组成一个内存池单向链表。到此最难理解的部分已经完了，接下来内存池的内存分配和释放就是很简单的内容了。

内存申请

void * memp_malloc(memp_t type){
  void *memp;
  // 取对应内存池的控制块
  memp = do_memp_malloc_pool(memp_pools[type]);
  return memp;
}
//这个函数内部实际上调用了 do_memp_malloc_pool简化后如下，
static void * do_memp_malloc_pool(const struct memp_desc *desc)
{
  struct memp *memp;
  SYS_ARCH_DECL_PROTECT(old_level);
  SYS_ARCH_PROTECT(old_level);
  memp = *desc->tab;

  if (memp != NULL) {

    *desc->tab = memp->next;

    SYS_ARCH_UNPROTECT(old_level);
    /* cast through u8_t* to get rid of alignment warnings */
    return ((u8_t *)memp + MEMP_SIZE);
  } else {
    SYS_ARCH_UNPROTECT(old_level);
  }
  return NULL;
}

因为tab是空闲pool的头，所以内存申请直接就是返回tab指向pool就可以了。同时内存释放就是将pool从新插入单向链表的操作了。具体简化的代码如下

内存释放

void memp_free(memp_t type, void *mem)
{
  if (mem == NULL) {
    return;
  }
  do_memp_free_pool(memp_pools[type], mem);

}
//调用do_memp_free_pool
static void do_memp_free_pool(const struct memp_desc *desc, void *mem)
{
  struct memp *memp;
  SYS_ARCH_DECL_PROTECT(old_level);

  /* cast through void* to get rid of alignment warnings */
  memp = (struct memp *)(void *)((u8_t *)mem - MEMP_SIZE);
  SYS_ARCH_PROTECT(old_level);
  memp->next = *desc->tab;
  *desc->tab = memp;

  SYS_ARCH_UNPROTECT(old_level);

}

现在LWIP的两种内存策略的实现方式，都已经理解过了，其中内存池的溢出检测部分没有说，但是已经可以帮助我们使用LWIP了，作者设计两种内存策略是有他的设计初衷的，看了#include "lwip/priv/memp_std.h"文件就知道，内存池的出现就是为一些特殊的长度固定的数据结构设计的，他分配快速，释放亦是，并且很定不会有内存碎片，但是这还是一种空间换时间的做法，因为内存池申请函数，支持如果当前尺寸的pool用完了，可以分配更大的池。内存堆就是用来应对大小不定的内存分配场合的，当人LWIP支持用堆实现pool也支持用pool实现堆，同时还支持用户池，这些功能都可以通过宏简单 的配置具体如下

MEM_LIBC_MALLOC  使用C库

MEMP_MEM_MALLOC  使用内存堆替换内衬池。

MEM_USE_POOLS  使用内存池替换内存堆

MEMP_USE_CUSTOM_POOLS   使用用户定义的内存池，这个实现需要用户提供一个文件lwippools.h，并按如下形式定义字节的内存池，要求内存池的大小要依次增大。

LWIP_MALLOC_MEMPOOL_START

LWIP_MALLOC_MEMPOOL(20, 256)

LWIP_MALLOC_MEMPOOL(10, 512)

LWIP_MALLOC_MEMPOOL(5, 1512)

LWIP_MALLOC_MEMPOOL_END

好了，到此LWIP的内存管理部分算是简单的学习了一下了，内存管理完。

2019-06-16 17:58:42