400行程序写一个实时操作系统（六）：内存管理算法（写一个malloc）
原因
我们在c语言中，经常要用到malloc申请内存，然后再free释放内存，但是c语言中的malloc放在RTOS中是相当危险的，因为它并没有针对实时性进行优化，所以，为RTOS设计一个内存管理算法是有必要的。
前言
先简单复习一下指针：
指针的本质是要求值必须为地址的变量。
int a,代表在内存中开辟一片空间，空间存放a的值。int *a，代表在内存中开辟一片空间，空间存放a的值，只不过此时a的值是一个地址，可以通过这个值找到另一块内存空间。
当我们进行 int *a = malloc(sizeof(xxx))的操作时，实际上就是改变这片空间存储的值。此时a就是一个有意义的值，它代表一个存在且可以被存放的内存空间的地址。
那么，当我们随机定义一个指针并且要对这片内存操作时，会发生什么呢？例如：
int *a;
*a = 1;
当我们定义指针a时，a的值是随机的，那么我们解引用a，计算机找不到这片空间，此时错误就会发生了。
也就是说，如果我们要手动管理内存，那么必须要分配空闲的内存地址，必须对内存进行严格的管理。
写下第一行程序
sparrow.c
#include "core_cm3.h"
#include<stdint.h>
#include<stdlib.h>
#define config_heap 8*1024
#define Class(class) \
typedef struct class class;\
struct class
static uint8_t allheap[config_heap];
如上所述，我们需要定义一个大数组。它由编译器分配，位于内存的全局区。这就是我们手动管理的内存空间。
简单介绍一下Class这个宏，我们知道c语言宏定义的本质是替换，可以看看替换前后：
替换前：
Class(Person){
int a;
};
替换后：
typedef struct Person Person;
struct Person {
int a;
};
这是笔者习惯性的一种用法，也是对自己的一种编程规范，目的就是告诉自己：“这些代码是采用面向对象思想编写的，请尽量不要使用面向过程的思维来思考程序。”
小内存管理算法
小内存管理算法，通常也称为内存分配器，用于在内存资源有限的嵌入式系统中高效地管理内存。这些算法的目标是减少内存碎片，提高内存利用率，并确保分配和释放内存的操作尽可能快速、稳定。
它采用不断分割的方法对内存进行动态分配，分为初始化，分割，释放三个步骤，为了简洁起见，笔者直接放图：
初始化
我们需要把定义的大数组先初始化：
malloc分配
分配内存时，根据需要分配空间的大小，返回对应的地址，最终内存块会被不断切割：
最终读者会看到，空闲内存块会越来越小，而且也越来越不连续。
虽然通过指针，通常情况下我们可以把不连续的空间当成连续的空间使用，这些不连续的空间被称为碎片。
但是当不连续的空间越来越小时，我们很可能找不到一个足够大的空间碎片满足存储请求，尽管总的空闲空间可能仍然满足。
这样下去，系统绝对是会崩溃的。
为了避免碎片问题，也有一些方法被广泛采用。
分配时的策略
为了减少碎片，通常有两种策略：best-fit和first-fit。
best-fit算法
这个策略趋向于将大的碎片保留下来满足后续的请求。我们根据空闲空间块的大小，将它们分在若干个容器中，在容器中，存储块按照他们的大小进行排列，这使得寻找best-fit块变得更加容易。
first-fit算法
在这个策略中，对象被放置在地址最低的、能够容纳对象的碎片中。这种策略的优点是速度快，但是内存分配性能比较差。
free释放
释放内存块，就是将内存块加入空闲内存块表。同时会有一些方法减少碎片。
分配时的策略
合并内存块
同时，如果我们检测到free释放的内存块的地址与其他空闲内存块是连续的，我们会合并它们：
合并前：
合并后：
这是内存管理算法的整体思想。
定义算法中的结构体
现在，我们已经知道内存管理包含哪些对象了，让我们接着写下这些程序：
sparrow.c
#define MIN_size ((size_t) (heapstructSize << 1))
Class(heap_node){
heap_node *next;
size_t blocksize;
};
Class(xheap){
heap_node head;
heap_node *tail;
size_t allsize;
};
xheap theheap = {
.tail = NULL,
.allsize = config_heap,
};
static const size_t heapstructSize = (sizeof(heap_node) + (size_t)(aligment_byte)) &~(aligment_byte);
每个内存块都会有一个头部，也就是heap_node，同时为了管理整个内存块，我们还要定义一个xheap并且对其进行初始化。 MIN_size是为了判断分配的内存块的空间被切割后，剩下的内存能够不能够放得下头部heap_node,如果能，那么就分割这块内存，如果不能，那么就不分割。
总结
本章笔者简单介绍了内存管理算法的基本概念，并且定义了一些基本的结构体和宏，希望读者能够领会内存管理算法的精髓。
原文地址：https://blog.csdn.net/2301_77061352/article/details/142923602
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