一、 xenomai內存池管理
本文講述的xenomai內核內存管理，供cobalt內核服務RT應用過程中動態分配使用。
在用戶態，glibc的內存管理不具有時間確定性，RT應用一般不使用，為此實時應用庫libcobalt為RT應用實現了時間確定的內存動態分配釋放heap，使用方法參見Heap management services,其分配釋放算法與內核里的差不多，不在贅述，下面開始。
通常，操作系統的內存管理，內存分配算法一定要快，否則會影響應用程序的運行效率，另一個是內存利用率。
無論linux還是xenomai，在服務或管理應用程序過程中經常需要內存分配，通常linux內存的分配與釋放都是時間不確定的，例如，缺頁異常和頁面換出會導致大且不可預測的延遲，不適用於受嚴格時間限制的實時應用程序。
xenomai作為硬實時內核，不能使用linux這樣的內存分配釋放接口，為此xenomai采取的措施是：在xenomai內核初始化時，先調用__vmalloc()從linux管理的ZONE_NORMAL中分配 一片內存,然后由xenomai自己來管理這片內存，且xenomai提供的內存分配釋放時間確定的，這樣就不會因為內存的分配釋放影響實時性（該內存管理代碼量非常少，有效代碼數3百行左右，實現精巧，值得研究利用。在需要自己實現一個內存管理的場合很有幫助）。
下面代碼基於 xenomai-3.0.8。xenomai 3.1開始有所不同詳見文末。
1.xnheap
xenomai管理的內存池稱為xnheap，內存池大小預先配置，如xenomai的系統內存池cobalt_heap，負責內核大多內核數據分配，其大小為sysheap_size_arg* 1024 Byte（sysheap_size_arg KB），sysheap_size_arg可在內核配置時設置，或者通過內核參數xenomai.sysheap_size=<kbytes>配置。xenomai內核中這樣管理的內存池不止一個，其他的make menuconfig配置如下。
[*] Xenomai/cobalt --->
Sizes and static limits --->
(512) Number of registry slots
(4096) Size of system heap (Kb)
(512) Size of private heap (Kb)
(512) Size of shared heap (Kb)
簡單介紹一下配置項中的幾個內存池的用途：
(512) Number of registry slots，xenomai內核運行中內核資源對象存儲槽的大小，用於分配系統使用資源的最大大小，如信號(signal)、互斥對象(mutex)、信號量等.(4096) Size of system heap (Kb)系統內存池，用於cobalt內核工作過程中動態內存分配，內核中很多任務共享的內存會從該區域分配,例如XDDP通訊時數據緩沖區默認從該區域分配。(512) Size of private heap (Kb)每個Cobalt任務私有的內存池，在實時任務創建時，從linux分配內存並初始化，位於Cobalt任務調度實體cobalt_process中,當實時任務內核上下文需要分配內存時，就會從該區域中獲取，XDDP 通訊中可選從該內存區分配緩沖區。
本節以xenomai的系統內存池cobalt_heap為例來了解xenomai內存池管理。cobalt_heap在xenomai內核初始化過程中初始化，先調用__vmalloc()從linux管理的ZONE_NORMAL中分配，然后在調用xnheap_init()初始化。
static int __init xenomai_init(void)
{
......
ret = sys_init();
......
return ret;
}
static __init int sys_init(void)
{
void *heapaddr;
int ret, cpu;
heapaddr = xnheap_vmalloc(sysheap_size_arg * 1024);/*256 * 1024*/
if (heapaddr == NULL ||
xnheap_init(&cobalt_heap, heapaddr, sysheap_size_arg * 1024)) {/*初始heap*/
return -ENOMEM;
}
xnheap_set_name(&cobalt_heap, "system heap");/*set heap name */
....
return 0;
}
xenomai要求管理的內存大小必須是PAGE_SIZE的倍數，且至少有2頁，其最大值在xenomai3.0.8版本里為2GB(1<<31),其他版本可能有所改變。以sysheap_size_arg默認值256為例，即cobalt_heap大小256KB。
每個內存池分配一個對象xnheap來管理，xnheap結構如下。
struct xnpagemap {
/** PFREE, PCONT, PLIST or log2 */
u32 type : 8;
/** Number of active blocks */
u32 bcount : 24;
};
struct xnheap {
/** SMP lock */
DECLARE_XNLOCK(lock);
/** Base address of the page array */
caddr_t membase;
/** Memory limit of page array */
caddr_t memlim;
/** Number of pages in the freelist */
int npages;
/** Head of the free page list */
caddr_t freelist;
/** Address of the page map */
struct xnpagemap *pagemap;
/** Link to heapq */
struct list_head next;
/** log2 bucket list */
struct xnbucket {
caddr_t freelist;
int fcount;
} buckets[XNHEAP_NBUCKETS];
char name[XNOBJECT_NAME_LEN];
/** Size of storage area */
u32 size;
/** Used/busy storage size */
u32 used;
};
其中，size標志該內存池的總大小，used標志已分配使用大小，npages表示該內存有多少頁，membase管理的內存基地址,memlim記錄內存結束地址.
2. xnpagemap
struct xnpagemap {
/** PFREE, PCONT, PLIST or log2 */
u32 type : 8;
/** Number of active blocks */
u32 bcount : 24;
};
pagemap管理着每一頁，有多少頁就需要多少項,pagemap.type表示該頁面的類型，pagemap.bcount表示頁面被分成這類大小的數量，小於1頁分配才會將空閑頁n分割成多塊，才需要pagemap[n]來記錄,pagemap通常管理着小於PAGE_SIZE的分配。pagemap.type有如下幾類：
-
XNHEAP_PFREE(0) 表示該頁面空閑
-
XNHEAP_PCONT(1)該頁為上一頁的續，當分配的內存大於1頁時，除首頁之外的頁用該標識。
-
XNHEAP_PLIST(2) 表示該頁是塊的開始（每次請求分配的內存稱為一個塊）
-
記錄確切的子塊大小(\(log_2size\))，值為3-20，（頁按size大小分割成許多子塊）；
3. xnbucket
struct xnbucket {
caddr_t freelist;
int fcount;
} buckets[XNHEAP_NBUCKETS];
buckets[XNHEAP_NBUCKETS]記錄着整個xnheap不同大小的分配，因為bucket管理的內存分配單元大小最小為8Byte，所以數組下標是\(log_2size -3\)，bucket[n]管理着分配單元（塊）大小為\(2^{n+3}\)Byte的內存池，freelist指向該bucket內第一個空閑塊，fcount標識該bucket可剩余空閑塊數。
例如請求分配的大小為64Byte，\(log_264 -3 = 3\)，則buckets[3]記錄着請求大小64Byte的分配，如果buckets[3].freelist不為NULL，則buckets[3].freelist就是本次請求的內存首地址。
並不是任何大小的分配都由buckets[]管理。當請求大小超過兩個頁時，不再使用bucket，從空閑頁列表直接分配頁面會更節省空間。XNHEAP_NBUCKETS=21，表示最大管理8MB(\(2^{20+3}\))分配信息，普通分頁模式下，頁大小為4KB，只用到buckets[0-10]，大頁(hupage)模式(頁大小為2MB)下才會使用到buckets[11-20]，以下分析默認頁大小為4KB。
buckets與pagemap區別是管理的對象不同，buckets[n]管理大小\(2^{n+3}\)Byte的內存池的分配。而pagemap[n]記錄整個塊內存第n頁內的使用信息。
4. xnheap初始化
當分配到一片內存作為xnheap后，首先調用xnheap_init()對該片內存初始化。
int xnheap_init(struct xnheap *heap, void *membase, u32 size)
{
spl_t s;
secondary_mode_only();
heap->size = size;
heap->membase = membase;
heap->npages = size / XNHEAP_PAGESZ;
if (heap->npages < 2)
return -EINVAL;
heap->pagemap = kmalloc(sizeof(struct xnpagemap) * heap->npages,
GFP_KERNEL);/*map 大小：每頁需要一個struct xnpagemap*/
if (heap->pagemap == NULL)
return -ENOMEM;
xnlock_init(&heap->lock);
init_freelist(heap);
/* Default name, override with xnheap_set_name() */
ksformat(heap->name, sizeof(heap->name), "(%p)", heap);
.....
return 0;
}
計算該內存總頁數npages，然后為每頁分配一個xnpagemap對象，npages頁需要分配npages個xnpagemap，然后調用init_freelist()初始化freelist。
static void init_freelist(struct xnheap *heap)
{
caddr_t freepage;
int n, lastpgnum;
heap->used = 0;
memset(heap->buckets, 0, sizeof(heap->buckets));
lastpgnum = heap->npages - 1;
for (n = 0, freepage = heap->membase;
n < lastpgnum; n++, freepage += XNHEAP_PAGESZ) {
*((caddr_t *)freepage) = freepage + XNHEAP_PAGESZ;
heap->pagemap[n].type = XNHEAP_PFREE;
heap->pagemap[n].bcount = 0;
}
*((caddr_t *) freepage) = NULL;
heap->pagemap[lastpgnum].type = XNHEAP_PFREE;
heap->pagemap[lastpgnum].bcount = 0;
heap->memlim = freepage + XNHEAP_PAGESZ;
/* The first page starts the free list. */
heap->freelist = heap->membase;/*free list*/
}
先初始化pagemap[],每頁記錄為未使用(XNHEAP_PFREE)
設置xnheap的結束地址memlim，並將freelist指向第一個空閑頁，然后從第一頁開始，前一頁保存着后一頁起始地址。這樣做不僅將空閑頁連起來，方便分配時索引，而且通過內存賦值操作，如果該內存頁未映射，會觸發內核缺頁異常，讓linux將未映射到物理內存的頁面映射到物理內存，這樣后續xenomai使用過程中就不會再產生缺頁中斷，避免影響xenomai實時性。初始化后如下圖所示
5. 內存塊分配
xenomai內存堆初始化完后，下面通過分配與釋放來分析分配釋放過程，例如向內存池Cobalt_heap()分別分配1Byte、50Byte、1000Byte、5000Byte、10000Byte數據，然后依次釋放。
/*向hobalt_heap分配1字節空間*/
ptrt_1 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1);
/*向hobalt_heap分配50字節空間*/
ptr_50 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 50);
/*連續向hobalt_heap分配1000字節空間5次*/
ptr_1000 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
ptr_1000_1 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
ptr_1000_2 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
ptr_1000_3 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
ptr_1000_4 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
/*向hobalt_heap分配5000字節空間*/
ptr_5000 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 5000);
/*向hobalt_heap分配10000字節空間*/
ptr_10000 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 10000);
5.1 小內存分配流程(<= 2*PAGE_ZISE)
1.分配1Byte
首先來看分配1Byte。
/*include\cobalt\kernel\heap.h*/
#define XNHEAP_PAGESZ PAGE_SIZE
#define XNHEAP_MINLOG2 3
#define XNHEAP_MAXLOG2 22 /* Holds pagemap.bcount blocks */
#define XNHEAP_MINALLOCSZ (1 << XNHEAP_MINLOG2)
#define XNHEAP_MINALIGNSZ (1 << 4) /* i.e. 16 bytes */
#define XNHEAP_NBUCKETS (XNHEAP_MAXLOG2 - XNHEAP_MINLOG2 + 2)
#define XNHEAP_MAXHEAPSZ (1 << 31) /* i.e. 2Gb */
void *xnheap_alloc(struct xnheap *heap, u32 size)
{
u32 pagenum, bsize;
int log2size, ilog;
caddr_t block;
spl_t s;
.....
/*
* Sizes lower or equal to the page size are rounded either to
* the minimum allocation size if lower than this value, or to
* the minimum alignment size if greater or equal to this
* value.
*/
if (size > XNHEAP_PAGESZ)
size = ALIGN(size, XNHEAP_PAGESZ);/*XNHEAP_PAGESZ = */
else if (size <= XNHEAP_MINALIGNSZ)
size = ALIGN(size, XNHEAP_MINALLOCSZ);
else
size = ALIGN(size, XNHEAP_MINALIGNSZ);
......
}
首先根據大小size來向最小分配或最大分配對齊，xenomai分配類型分為3類，對於大於XNHEAP_PAGESZ的向上與XNHEAP_PAGESZ對齊；對於小於8Byte的，向上與8Byte對齊；對於大於8Byte，向上與16Byte對齊；這樣是為了與bucket一一對應。
例如分配5000Byte，最終分配到的空間大小為8192 Byte（以PAGE_SIZE為4KB計算），要分配1Byte空間，將會得到8Byte的空間，分配50Byte空間得到64Byte空間。
我們請求分配1Byte的內存，對齊后size為8 Byte，buckets[XNHEAP_NBUCKETS]只管理請求大小小於2*PAGE_SZIE的分配池。 當請求的大小大於頁大小的2倍時，從空閑頁列表直接分配頁面會更節省空間。8Byte小於2*PAGE_SZIE，下面看bucket具體的分配流程。
if (likely(size <= XNHEAP_PAGESZ * 2)) { /*小於等於2PAGE_SIZE的從空閑鏈表中分配*/
/*
* Find the first power of two greater or equal to the
* rounded size.
*/
bsize = size < XNHEAP_MINALLOCSZ ? XNHEAP_MINALLOCSZ : size;
log2size = order_base_2(bsize);
bsize = 1 << log2size;
ilog = log2size - XNHEAP_MINLOG2;
xnlock_get_irqsave(&heap->lock, s);
block = heap->buckets[ilog].freelist;
if (block == NULL) {
block = get_free_range(heap, bsize, log2size);
if (block == NULL)
goto out;
if (bsize <= XNHEAP_PAGESZ)
heap->buckets[ilog].fcount += (XNHEAP_PAGESZ >> log2size) - 1;
} else {
if (bsize <= XNHEAP_PAGESZ)
--heap->buckets[ilog].fcount;
pagenum = ((caddr_t)block - heap->membase) / XNHEAP_PAGESZ;
++heap->pagemap[pagenum].bcount;
}
heap->buckets[ilog].freelist = *((caddr_t *)block);
heap->used += bsize;
} else {
.....
}
第一步先對size求\(log_2size\)，\(log_28\)=3，得到bucket索引下標\(ilog = log_28-3=0\)，再用ilog作為下標得到管理8Byte大小池的bucket，buckets[0].freelist指向首個空閑塊，如果buckets[ilog].freelist不為NULL，則將buckets[ilog].freelist指向的塊分配出去，buckets[ilog].fcount減一，再根據freelist的地址計算該空閑塊位於第幾頁（pagenum），更新該頁的pagemap[pagenum].bcount。再將buckets[ilog].freelist指向下一個空閑頁，更新總內存已分配大小heap->used，返回分配到的內存地址block。
但我們內存池剛初始化，buckets[ilog].freelist 為NULL，進入block==NULL分支,先為該bucket分配空間。
先通過get_free_range()分配，分配后計算bucket的剩余塊數buckets[ilog].fcount，XNHEAP_PAGESZ >> log2size就是新頁面被分成了多少塊，且馬上就要被分配出去耍一塊，所以再減一。
下面看如何分配bucket管理的空間，get_free_range()中，先分配空閑頁，然后再對空閑頁進行分塊。先看從整塊內存找空閑頁部分
static caddr_t get_free_range(struct xnheap *heap, u32 bsize, int log2size)
{
caddr_t block, eblock, freepage, lastpage, headpage, freehead = NULL;
u32 pagenum, pagecont, freecont;
freepage = heap->freelist; /*空閑頁*/
while (freepage) {
headpage = freepage;
freecont = 0;
do {
lastpage = freepage;
freepage = *((caddr_t *) freepage);
freecont += XNHEAP_PAGESZ;
}
while (freepage == lastpage + XNHEAP_PAGESZ &&
freecont < bsize);
if (freecont >= bsize) {
if (headpage == heap->freelist)
heap->freelist = *((caddr_t *)lastpage);
else
*((caddr_t *)freehead) = *((caddr_t *)lastpage);
goto splitpage;
}
freehead = lastpage;
}
return NULL;
splitpage:
......
return headpage;
}
heap->freelist指向xnheap內存中第一個空閑頁，10-14行循環迭代freepage並記錄大小freecont，直到得到freecont大小的空閑頁。我們傳入get_free_range()的bsize=8，\(log_2size\) = 3，所以循環1次，分配到4KB空間就夠了。如下圖所示.
條件freecont >= bsize表示分配到了滿足大小的連續空閑頁，否則就是連續內存空間不夠，看lastpage指向的下一個空閑空間是否連續，直到分配到符合條件的內存頁，否則無法滿足此次分配條件，返回 NULL。
我們這里分配到了頁0，20行更新heap->freelist指向下一個空閑頁 。
跳轉splitpage對頁0進行切割。
splitpage:
if (bsize < XNHEAP_PAGESZ) {
for (block = headpage, eblock =
headpage + XNHEAP_PAGESZ - bsize; block < eblock;
block += bsize)
*((caddr_t *)block) = block + bsize;
*((caddr_t *)eblock) = NULL;
} else
*((caddr_t *)headpage) = NULL;
pagenum = (headpage - heap->membase) / XNHEAP_PAGESZ;
heap->pagemap[pagenum].type = log2size ? : XNHEAP_PLIST;
heap->pagemap[pagenum].bcount = 1;
for (pagecont = bsize / XNHEAP_PAGESZ; pagecont > 1; pagecont--) {
heap->pagemap[pagenum + pagecont - 1].type = XNHEAP_PCONT;
heap->pagemap[pagenum + pagecont - 1].bcount = 0;
}
return headpage;
splitpage操作將一個4K大小的頁分成一個個大小為8Byte的塊，並將這些塊連起來，並更xpagemap[pagenum]的type為塊大小3(2的冪\(log_2blocksize\)），表示該頁PLIST。bcount=1是即將分配出去的第一個塊。
回到xnheap_alloc(),更新bucket內剩余塊數heap->buckets[3].fcount、8字節池空閑地址buckets[3].freelist，整個內存池已分配數heap->used，然后返回內存池分配的到的內存起始地址ptr_1。此時如下：
通過以上分析，我們分配1字節空間，最終得到8字節的空間，8(1<<3)字節是xenomai內存池的最小管理單位，並且下次再分配8Byte內空間時，直接返回buckets[3].freelist並更新幾個成員變量即可，速度極快。
2.分配50Byte
同樣，根據以上步驟請求分配50字節空間時，先對50向上向上對齊得到64，計算bucket索引\(ilog = log_2 64-3=3\)，本次分配請求從bucket[3]管理的內存池中分配，由於首次分配，bucket[3]中沒有還管理的空間需要先從xnheap中分配空閑頁，最終分配得到64字節大小的空間，分配后如下圖所示。
3.分配1000 Byte
請求分配1000字節空間時，先對1000向上對齊得到1024，計算bucket索引\(ilog = log_2 1024-3=7\)，本次分配請求從bucket[7]管理的內存池中分配，由於首次分配，bucket[7]中沒有還管理的空間需要先從xnheap中分配一個空閑頁分成4塊交給bucket管理，最終本次分配得到1024字節大小的空間，分配后如下圖所示。
以上分配后，buckets[7]中還剩余3個空閑塊，如果bucket內的所有塊分配完了，再次請求分配大小為1000字節的空間時會怎樣?會再去分配一頁空閑頁進行切割。為了表示這個過程，繼續執行以下語句，當ptr_1000_4分配后如下圖所示。
ptr_1000_1 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
ptr_1000_2 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
ptr_1000_3 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
ptr_1000_4 = xnheap_alloc(&hobalt_heap, 1000);
當分配ptr_1000_3后bucket中不再由空閑塊，bucket[7].freelist重新指向NULL，分配ptr_1000_4時就會觸發再次從總內存分配空閑頁來分成1K大小的塊，分配ptr_1000_4后bucket[7].freelist指向新的空閑頁。
4. 分配5000字節
由於請求大小是5000字節，前面說過超過頁大小后會與頁對齊，也就是8K的空間，且該大小滿足<=2*PAGE_SIZE,會向bucket[13]分配。
與小於頁大小（4KB）的分配不同的是，向頁對齊后8K，8K空間占用2個頁，所以圖中連續的頁5、頁5分配出去，bucket內沒有剩余塊，頁5對應的xnpagemap[5]的type被設置為XNHEAP_PCONT(1)表示該頁與上頁是連續的。
5.2 大內存分配（> 2*PAGE_ZISE）
1. 分配10000字節
由於請求大小是10000字節，前面說過超過頁大小后會與頁對齊，也就是12K的空間，對於大於8K（2*PAGE）SIZE）大小的分配請求，從空閑頁列表直接分配頁面會更節省空間。
if (likely(size <= XNHEAP_PAGESZ * 2)) { /*小於8KB*/
......
} else {
if (size > heap->size)
return NULL;
xnlock_get_irqsave(&heap->lock, s);
/* Directly request a free page range. */
block = get_free_range(heap, size, 0);
if (block)
heap->used += size;
}
先判斷總大小，然后調用get_free_range()直接從空閑頁列表直接分配,參數\(log_2size\)=0,該情況下get_free_range()函數執行路徑如下；
static caddr_t get_free_range(struct xnheap *heap, u32 bsize, int log2size)
{
caddr_t block, eblock, freepage, lastpage, headpage, freehead = NULL;
u32 pagenum, pagecont, freecont;
freepage = heap->freelist;
while (freepage) {
headpage = freepage;
freecont = 0;
/*在空閑頁列表查找滿足條件的連續空閑頁*/
do {
lastpage = freepage;
freepage = *((caddr_t *) freepage);
freecont += XNHEAP_PAGESZ;
}
while (freepage == lastpage + XNHEAP_PAGESZ &&
freecont < bsize);
if (freecont >= bsize) { /*得到連續的頁*/
if (headpage == heap->freelist)
heap->freelist = *((caddr_t *)lastpage); /*更新freelist*/
else
.....
goto splitpage;
}
freehead = lastpage;
}
return NULL;
splitpage:
if (bsize < XNHEAP_PAGESZ) { //<4K
.....
} else
*((caddr_t *)headpage) = NULL;
pagenum = (headpage - heap->membase) / XNHEAP_PAGESZ;
heap->pagemap[pagenum].type = log2size ? : XNHEAP_PLIST;
heap->pagemap[pagenum].bcount = 1;
for (pagecont = bsize / XNHEAP_PAGESZ; pagecont > 1; pagecont--) {
heap->pagemap[pagenum + pagecont - 1].type = XNHEAP_PCONT;
heap->pagemap[pagenum + pagecont - 1].bcount = 0;
}
return headpage;
}
分配后的內存視圖如下。
6. 內存釋放
通過以上分析，我們可以將分配到的內存塊分為兩類：
- 從bucket中分配，大小小於等於4KB，不僅bucket記錄着數量，該塊所在頁的pagemap[].type也記錄着該塊的大小。
- 直接從空閑列表分配，大小大於4KB，pagemap[n].type為XNHEAP_PLIST（2）表示頁n是該塊的開始頁，后續的n+i頁，pagemap[n+i].type都為XNHEAP_PCONT(1)。
內存塊釋放的過程就是根據這些信息來定位要釋放的塊，並將它重新放回bucket內存池或空閑頁列表。
通過xnheap_alloc()分配的內存，通過xnheap_free()釋放，當然必須是在同一個xnheap上操作。
void xnheap_free(struct xnheap *heap, void *block)
{
caddr_t freepage, lastpage, nextpage, tailpage, freeptr, *tailptr;
int log2size, npages, nblocks, xpage, ilog;
u32 pagenum, pagecont, boffset, bsize;
spl_t s;
xnlock_get_irqsave(&heap->lock, s);
if ((caddr_t)block < heap->membase || (caddr_t)block >= heap->memlim)
goto bad_block;
/* Compute the heading page number in the page map. */
pagenum = ((caddr_t)block - heap->membase) / XNHEAP_PAGESZ;
boffset = ((caddr_t)block - (heap->membase + pagenum * XNHEAP_PAGESZ));
switch (heap->pagemap[pagenum].type) {
case XNHEAP_PFREE: /* Unallocated page? */
case XNHEAP_PCONT: /* Not a range heading page? */
bad_block:
xnlock_put_irqrestore(&heap->lock, s);
XENO_BUG(COBALT);
return;
case XNHEAP_PLIST: /**/
.....
break;
default:
.......
}
heap->used -= bsize;
xnlock_put_irqrestore(&heap->lock, s);
}
xnheap_free()中先根據地址判斷釋放的內存塊是否屬於指定的xnheap。如果合法的，接着計算要釋放的內存所在的頁號pagenum，以及頁內的偏移量boffset。得到頁號后從pagemap[pagenum]判斷要釋放的內存塊屬於那種類型，再做相應的釋放操作。
將前面分配到的內存按不同順序釋放，來查看xnheap的釋放流程,由於分配的1000字節的幾個內存塊比較具有代表性，先看他們的釋放，釋放順序如下。
/*釋放*/
xnheap_free(&hobalt_heap, ptr_1000_1);
xnheap_free(&hobalt_heap, ptr_1000);
xnheap_free(&hobalt_heap, ptr_1000_3);
xnheap_free(&hobalt_heap, ptr_1000_2);
xnheap_free(&hobalt_heap, ptr_1000_4);
頁內塊釋放
首先釋放ptr_1000_1，ptr_1000_1實際指向的內存塊可用空間為1024字節，首先計算ptr_1000_1所在的內存頁頁號pagenum = 2，以及頁內的偏移量boffset = 1024.根據頁號得到該頁的類型pagemap[2].type=10，表示該已分配給buckets管理，跳轉執行具體釋放操作：
switch (heap->pagemap[pagenum].type) {
case XNHEAP_PFREE: /* Unallocated page? */
case XNHEAP_PCONT: /* Not a range heading page? */
bad_block:
xnlock_put_irqrestore(&heap->lock, s);
XENO_BUG(COBALT);
return;
case XNHEAP_PLIST:
.....
break;
default:
log2size = heap->pagemap[pagenum].type;
bsize = (1 << log2size);
if ((boffset & (bsize - 1)) != 0) /* Not a block start? */
goto bad_block;
ilog = log2size - XNHEAP_MINLOG2;
if (likely(--heap->pagemap[pagenum].bcount > 0)) {
/* Return the block to the bucketed memory space. */
*((caddr_t *)block) = heap->buckets[ilog].freelist;
heap->buckets[ilog].freelist = block;
++heap->buckets[ilog].fcount;
break;
}
.....
}
heap->used -= bsize;
從pagemap[2].type得到log2size = 10，反算出我們釋放的指針指向的內存塊大小bsize = 1024字節。知道要釋放的內存大小后，驗證該地址是否是合法的內存塊起始地址，驗證方法就是看該地址是否與bsize對齊 。
驗證合法后開始釋放，要釋放的內存屬於bucket管理，計算buckets[]下標\(ilog =10-3=7\),屬於buckets[7]管理。先將頁信息pagemap[pagenum].bcount減一，判斷是不是頁內要釋放的最后一個內存塊，如果是另行處理。22-24行將該該塊內存放回bucket[7]，將釋放的內存指向原來的freelist，freelist指向釋放的塊，更新fcount值，完成ptr_1000_1的釋放。更新整個xnheap內存使用量。釋放ptr_1000_1后的內存視圖如下。
接着依次釋放ptr_1000、ptr_1000_3與釋放ptr_1000_1一致，釋放后如圖所示
此時pagemap[3].bcount=1，當釋放最后一個內存塊 ptr_1000_2時，由於是該頁最后一塊情況有所不同，條件(--heap->pagemap[pagenum].bcount > 0)不滿足。執行如下.
default:
log2size = heap->pagemap[pagenum].type;/*10*/
bsize = (1 << log2size);/*1024*/
if ((boffset & (bsize - 1)) != 0) /* Not a block start? */
goto bad_block;
ilog = log2size - XNHEAP_MINLOG2;
if (likely(--heap->pagemap[pagenum].bcount > 0)) {
......
break;
}
npages = bsize / XNHEAP_PAGESZ;
if (unlikely(npages > 1))
goto free_page_list;
freepage = heap->membase + pagenum * XNHEAP_PAGESZ;
block = freepage;
tailpage = freepage;
nextpage = freepage + XNHEAP_PAGESZ;
nblocks = XNHEAP_PAGESZ >> log2size;
heap->buckets[ilog].fcount -= (nblocks - 1);
XENO_BUG_ON(COBALT, heap->buckets[ilog].fcount < 0);
if (likely(heap->buckets[ilog].fcount == 0)) {
heap->buckets[ilog].freelist = NULL;
goto free_pages;
}
/*
* Worst case: multiple pages are traversed by the
* bucket list. Scan the list to remove all blocks
* belonging to the freed page. We are done whenever
* all possible blocks from the freed page have been
* traversed, or we hit the end of list, whichever
* comes first.
*/
for (tailptr = &heap->buckets[ilog].freelist, freeptr = *tailptr, xpage = 1;
freeptr != NULL && nblocks > 0; freeptr = *((caddr_t *) freeptr)) {
if (unlikely(freeptr < freepage || freeptr >= nextpage)) {
if (unlikely(xpage)) {
*tailptr = freeptr;
xpage = 0;
}
tailptr = (caddr_t *)freeptr;
} else {
--nblocks;
xpage = 1;
}
}
*tailptr = freeptr;
goto free_pages;
}
heap->used -= bsize;
現在知道了該塊是頁的最后一塊，接着看該塊否是bucket[7]中的最后一個塊,判斷方式為看fcount-nblocks - 1是否等於0，如下。
nblocks = XNHEAP_PAGESZ >> log2size;
heap->buckets[ilog].fcount -= (nblocks - 1);
if (likely(heap->buckets[ilog].fcount == 0)) { /*是*/
heap->buckets[ilog].freelist = NULL;
goto free_pages;
}
不是bucket的最后一塊，但是頁2已經全部空閑，接下來重整頁面。
for (tailptr = &heap->buckets[ilog].freelist, freeptr = *tailptr, xpage = 1;
freeptr != NULL && nblocks > 0; freeptr = *((caddr_t *) freeptr)) {
if (unlikely(freeptr < freepage || freeptr >= nextpage)) {
if (unlikely(xpage)) {
*tailptr = freeptr;
xpage = 0;
}
tailptr = (caddr_t *)freeptr;
} else {
--nblocks;
xpage = 1;
}
}
*tailptr = freeptr;
goto free_pages;
根據frelist找出已經空閑的頁，然后跳轉至標簽free_pages進行釋放頁2，free_pages主要調整空閑頁之間的freelist,是鏈表freelist保持遞增。
free_pages:
/* Mark the released pages as free. */
for (pagecont = 0; pagecont < npages; pagecont++)
heap->pagemap[pagenum + pagecont].type = XNHEAP_PFREE;
/*
* Return the sub-list to the free page list, keeping
* an increasing address order to favor coalescence.
*/
for (nextpage = heap->freelist, lastpage = NULL;
nextpage != NULL && nextpage < (caddr_t) block;
lastpage = nextpage, nextpage = *((caddr_t *)nextpage))
; /* Loop */
*((caddr_t *)tailpage) = nextpage;
if (lastpage)
*((caddr_t *)lastpage) = (caddr_t)block;
else
heap->freelist = (caddr_t)block;
break;
下面釋放ptr_1000_4，由於ptr_1000_4是bucket[7]最后一塊直接將bucket[7].freelist指向NULL，然后跳轉至標簽free_pages進行釋放頁3就行，釋放后如下。
ptrt_1、ptr_50、ptr_5000均為頁和bucket的最后一塊，釋放流程相同，不再說明。
頁連續的塊釋放
最后看一下ptr_10000的釋放，ptr_10000占用連續的3個頁，同樣根據ptr_10000計算出塊開始頁的tpye=2（XNHEAP_PLIST），進入XNHEAP_PLIST分支釋放,通過看緊接着的頁的tpye計算內存塊的頁數npages。計算該內存塊的大小bsize，接着開始釋放頁。
void xnheap_free(struct xnheap *heap, void *block)
{
caddr_t freepage, lastpage, nextpage, tailpage, freeptr, *tailptr;
int log2size, npages, nblocks, xpage, ilog;
u32 pagenum, pagecont, boffset, bsize;
spl_t s;
.......
/* Compute the heading page number in the page map. */
pagenum = ((caddr_t)block - heap->membase) / XNHEAP_PAGESZ;
boffset = ((caddr_t)block - (heap->membase + pagenum * XNHEAP_PAGESZ));
switch (heap->pagemap[pagenum].type) {
case XNHEAP_PFREE: /* Unallocated page? */
case XNHEAP_PCONT: /* Not a range heading page? */
bad_block:
xnlock_put_irqrestore(&heap->lock, s);
XENO_BUG(COBALT);
return;
case XNHEAP_PLIST:
npages = 1;
while (npages < heap->npages &&
heap->pagemap[pagenum + npages].type == XNHEAP_PCONT)
npages++;
bsize = npages * XNHEAP_PAGESZ;
free_page_list:
/* Link all freed pages in a single sub-list. */
for (freepage = (caddr_t) block,
tailpage = (caddr_t) block + bsize - XNHEAP_PAGESZ;
freepage < tailpage; freepage += XNHEAP_PAGESZ)
*((caddr_t *) freepage) = freepage + XNHEAP_PAGESZ;
.......
default:
......
}
heap->used -= bsize;
freepage指向塊的第一頁，tailpage指向塊的最后一頁，將釋放的幾頁鏈起來，成為一個子列表，如圖所示。
現在僅將塊內的頁鏈接起來，接下來執行標簽free_pages，將這些要釋放的頁鏈接到空閑頁列表。
先將這些也對應的pagemap.type標志為空閑（XNHEAP_FREE）。
free_pages:
/* Mark the released pages as free. */
for (pagecont = 0; pagecont < npages; pagecont++)
heap->pagemap[pagenum + pagecont].type = XNHEAP_PFREE;
將子列表放回空閑頁列表，並保持它們遞增的鏈接關系。
for (nextpage = heap->freelist, lastpage = NULL;
nextpage != NULL && nextpage < (caddr_t) block;
lastpage = nextpage, nextpage = *((caddr_t *)nextpage))
; /* Loop */
*((caddr_t *)tailpage) = nextpage;
if (lastpage)
*((caddr_t *)lastpage) = (caddr_t)block;
else
heap->freelist = (caddr_t)block;
break;
將子列表插入空閑鏈表后，完成釋放，視圖如下（ptrt_1、ptr_50、ptr_5000還未釋放）。
7. 總結
xenomai內核通過自己管理一片內存來避免內存分配釋放影響實時性。
針對小於2*PAGE_SIZE 的內存請求，xnheap使用bucket建立內存池，使小內存請求迅速得到滿足。對於大於2*PAGE_SIZE 的內存請求,直接向空閑頁列表分配。
缺點：當內存頁列表比較疏松時，可能會出現分配一個大內存（>4K）需要遍歷所有空閑頁到最后才分配到的情況。此時復雜度為\(O(n)\)，n表示空閑頁塊數。xenomai3.1對此進行了優化，使用紅黑樹按空閑塊大小來管理空閑頁，通過大小直接查找空閑頁速度極快，紅黑樹時間復雜度\(O(logn)\)，此外從紅黑樹中分配的內存從原來4K改變為512Byte對齊，這樣使內存利用率進一步提高，有機會繼續出一篇關於xenomai 3.1內存管理的文章。
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