内存管理模块设计与实现

内存管理模块设计与实现

1. 概述

在嵌入式系统或需要精确控制内存使用的场景中，一个良好的内存管理模块至关重要。本文介绍了一个简单但实用的内存管理模块实现，该模块具有以下特点：

• 内存使用追踪
• 内存分配记录
• 内存泄漏检测
• 线程安全设计
• 内存对齐支持

2. 架构设计

整体架构如下图所示：

应用层

内存管理接口层

内存记录管理

内存分配管理

链表管理

系统内存

架构说明：

1. 应用层：提供给用户的接口层
2. 内存管理接口层：统一的内存操作接口
3. 内存记录管理：负责维护内存使用记录
4. 内存分配管理：实际的内存分配操作
5. 链表管理：内存记录的数据结构维护
6. 系统内存：底层的内存资源

3. 核心数据结构

3.1 数据结构关系图

sl_heap_manager_t

+unsigned int used_mem

+unsigned int max_mem

+sl_heap_record_list_t info

+unsigned char is_init

sl_heap_record_list_t

+list_head list

+void* ptr

+unsigned int size

+unsigned int line

+char name[64]

3.2 关键结构体定义

typedef struct sl_heap_record_list_def {
    struct list_head list; /* 链表节点 */
    void *ptr;            /* 申请地址 */
    unsigned int size;    /* 申请大小 */
    unsigned int line;    /* 申请行数 */
    char name[64];        /* 申请函数名 */
} sl_heap_record_list_t;

typedef struct _sl_heap_manager_def {
    unsigned int used_mem;      /* 已经使用内存 */
    unsigned int max_mem;       /* 最大使用内存 */
    sl_heap_record_list_t info; /* 信息记录 */
    unsigned char is_init;      /* 初始化标记 */
} sl_heap_manager_t;

4. 功能实现

4.1 内存分配流程

应用程序 内存接口层 内存管理器 系统内存 sl_malloc() 检查初始化状态 加锁 申请内存 记录内存信息 更新统计数据 解锁 返回内存指针 应用程序 内存接口层 内存管理器 系统内存

4.2 内存分配实现

void *_sl_malloc(unsigned int size, const char *func, int line)
{
    void *ptr = NULL;
    sl_heap_record_list_t *plist = NULL;

    if (!heap_mg.is_init) {
        printf("malloc is not init\r\n");
        return NULL;
    }

    pthread_mutex_lock(&malloc_mutex);
    plist = (sl_heap_record_list_t*)malloc(sizeof(sl_heap_record_list_t));
    size = MALLOC_ALIGN(size, MALLOC_ALIGN_SIZE);
    ptr = malloc(size);
    if ((NULL != plist) && (NULL != ptr)) {
        INIT_LIST_HEAD(&plist->list);
        plist->ptr = ptr;
        plist->size = size;
        plist->line = line;
        snprintf(plist->name, sizeof(plist->name), "%s", func);
        list_add_tail(&plist->list, &heap_mg.info.list);
        heap_mg.used_mem += size;
        if (heap_mg.used_mem > heap_mg.max_mem)
            heap_mg.max_mem = heap_mg.used_mem;
    }
    pthread_mutex_unlock(&malloc_mutex);

    return ptr;
}

4.3 内存释放流程

应用程序 内存接口层 内存管理器 系统内存 sl_free() 加锁 查找内存记录 更新统计数据 释放内存 删除记录节点 解锁 应用程序 内存接口层 内存管理器 系统内存

5.特色功能

5.1 内存对齐支持

+-------------------+
|  请求内存大小: 10 |
+-------------------+
         ↓
+-------------------+
| 对齐后大小: 12    |
| (4字节对齐)       |
+-------------------+
         ↓
+----+----+----+----+
| 4B | 4B | 4B |    |
+----+----+----+----+

5.2 内存使用监控

50% 33% 17% Memory Free Used Peak

5.3 线程安全机制

线程A请求

获得锁

完成操作

释放锁

线程B请求

锁释放

空闲

加锁

操作中

解锁

等待

6. 使用示例

// 初始化内存管理模块
sl_heap_module_init();

// 分配内存
char *buffer = sl_malloc(100);

// 分配并清零内存
int *numbers = sl_calloc(10, sizeof(int));

// 查看内存使用情况
sl_print_malloc_size();

// 释放内存
sl_free(buffer);
sl_free(numbers);

7. 应用场景

• 嵌入式系统中的内存管理
• 需要追踪内存使用的调试环境
• 内存泄漏检测
• 性能优化分析

8. 注意事项

• 使用前必须调用sl_heap_module_init()进行初始化
• 所有内存操作都应使用模块提供的接口
• 注意及时释放不再使用的内存
• 在多线程环境中特别注意死锁问题
• 内存对齐可能会导致实际分配大小大于请求大小

9. 总结

本文介绍的内存管理模块提供了一个完整的内存管理解决方案，具有以下优势：

• 完整的内存追踪能力
• 线程安全的实现
• 便捷的调试接口
• 灵活的内存对齐支持
• 详细的使用记录

这个模块特别适合需要精确控制和监控内存使用的场景，通过记录详细的内存分配信息，它可以帮助开发者更好地理解和优化程序的内存使用情况，同时提供了必要的安全保护机制。

参考资料

C语言内存管理
Linux系统编程
多线程编程指南
嵌入式系统设计