[發(fā)明專利]一種無鎖化內(nèi)存申請(qǐng)釋放方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310336094.5
• 申請(qǐng)日: 2013-08-05
• 公開（公告）號(hào): CN103399825A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙暢
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢郵電科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G06F12/08
• 分類號(hào): G06F12/08
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴(yán)彥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及多線程系統(tǒng)的內(nèi)存申請(qǐng)釋放方法。

背景技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)往往使用多線程來完成不同的任務(wù)，而線程間相互聯(lián)系，使用消息互相通信。通過使用共享內(nèi)存，線程間的通信，目的線程可以直接讀取源線程的消息而不需要拷貝。但是這導(dǎo)致申請(qǐng)和釋放消息使用的內(nèi)存時(shí)需要使用互斥鎖，影響效率。目前申請(qǐng)和釋放堆內(nèi)存的方法一般有兩種，一種是直接調(diào)用通用函數(shù)庫（glibc）的內(nèi)存申請(qǐng)接口（ptmalloc）和釋放接口（free），另外一種是建立自己的內(nèi)存池進(jìn)行管理。

通用函數(shù)庫（glibc）申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的邏輯非常復(fù)雜，包括了內(nèi)存塊的分割與合并，歸還到系統(tǒng)還是保留等等。但是可以發(fā)現(xiàn)其主要的耗時(shí)花費(fèi)在鎖的使用上：

內(nèi)存申請(qǐng)的第一步就是獲取分配區(qū)的鎖，如果加鎖成功，使用該分配區(qū)分配內(nèi)存。否則，該線程搜索分配區(qū)循環(huán)鏈表試圖獲得一個(gè)沒有加鎖的分配區(qū)。當(dāng)然，如果系統(tǒng)沒有空閑的分配區(qū)了，申請(qǐng)的線程只能等待。釋放函數(shù)首先需要獲取內(nèi)存塊所屬的分配區(qū)的鎖，來保證線程安全。

如果系統(tǒng)只有單個(gè)線程，那么分配區(qū)長(zhǎng)期被一個(gè)線程占據(jù)，不存在鎖的開銷。但是如果是多線程的情況下，內(nèi)存塊往往承載著消息，由一個(gè)線程申請(qǐng)，而由另一個(gè)線程歸還。分配區(qū)可能被申請(qǐng)線程占據(jù)，而歸還線程則只能等待。所以在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，往往發(fā)現(xiàn)調(diào)用內(nèi)存釋放接口（free）的時(shí)間往往比調(diào)用內(nèi)存申請(qǐng)接口(malloc)的時(shí)間花得還要長(zhǎng)。

理論上講，內(nèi)存池的管理方法會(huì)節(jié)省內(nèi)存申請(qǐng)釋放時(shí)間，因?yàn)樗枰膬?nèi)存都被事先申請(qǐng)，釋放只是歸還到內(nèi)存池而不歸還給系統(tǒng)。這時(shí)，鎖的開銷更加首當(dāng)其沖的成為了內(nèi)存分配與釋放的首要開銷。且不說多線程競(jìng)爭(zhēng)獲取全局共享內(nèi)存池的鎖，即使為每個(gè)線程定義了獨(dú)立的緩存池，鎖的開銷也是無法避免。多線程系統(tǒng)環(huán)境下，內(nèi)存的使用往往是由一個(gè)線程申請(qǐng)，將內(nèi)存填上內(nèi)容后，作為消息發(fā)送給另一個(gè)線程。當(dāng)另一個(gè)線程歸還內(nèi)存到原線程的緩存時(shí)，不可避免的與消息源線程搶緩存區(qū)的鎖。

綜上所述，目前多線程系統(tǒng)的內(nèi)存申請(qǐng)釋放優(yōu)化的方向主要是減少和避免鎖的開銷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種內(nèi)存申請(qǐng)和釋放的技術(shù)方案，其目的在于避免內(nèi)存申請(qǐng)和釋放時(shí)對(duì)鎖的開銷，縮短申請(qǐng)和釋放釋放時(shí)間。

本發(fā)明的技術(shù)方案為一種無鎖化內(nèi)存申請(qǐng)釋放方法，每個(gè)線程單獨(dú)占有一塊內(nèi)存池作為緩存，所有從該緩存中申請(qǐng)的內(nèi)存塊，最終釋放回該緩存；

進(jìn)行內(nèi)存申請(qǐng)時(shí)，申請(qǐng)線程從緩存獲取一塊內(nèi)存，并在分配好的內(nèi)存塊上標(biāo)記申請(qǐng)線程的線程號(hào)，申請(qǐng)完成；?

內(nèi)存塊使用完畢時(shí)，釋放線程查看內(nèi)存塊標(biāo)記的申請(qǐng)線程的線程號(hào)，如果是自己申請(qǐng)的，歸還內(nèi)存塊到緩存，釋放完成；否則通過比較并替換，掛載內(nèi)存塊到申請(qǐng)線程的單向鏈表，釋放完成。

而且，每當(dāng)任務(wù)發(fā)送消息或者接收到消息時(shí)，申請(qǐng)線程進(jìn)行周期性檢測(cè)，將單向鏈表上每一個(gè)內(nèi)存塊歸還到緩存。

而且，單向鏈表采用“后地址”記錄下一節(jié)點(diǎn)的地址，而尾節(jié)點(diǎn)的“后地址”置為空；所述通過比較并替換，掛載內(nèi)存塊到申請(qǐng)線程的單向鏈表，實(shí)現(xiàn)方式包括如下步驟，

步驟3.1，將單向鏈表頭的“后地址”所存的地址拷貝到一個(gè)本地地址變量；

步驟3.2，將本地地址變量拷貝到要掛載的內(nèi)存塊的“后地址”；

步驟3.3，讀取單向鏈表頭的“后地址”，當(dāng)且僅當(dāng)單向鏈表頭的“后地址”等于本地地址變量時(shí)，將單向鏈表頭的“后地址”賦值為將要掛載的內(nèi)存塊地址使單向鏈表頭指向了要掛載的內(nèi)存塊；否則回到步驟3.1。

而且，每次進(jìn)行周期性檢測(cè)，將單向鏈表上每一個(gè)內(nèi)存塊歸還到緩存的實(shí)現(xiàn)方式如下，

將單向鏈表頭與本地的空鏈表頭替換，從單向鏈表頭開始輪尋單向鏈表，將每一個(gè)內(nèi)存塊歸還到緩存，輪尋完畢時(shí)檢測(cè)完畢。

本發(fā)明所提供一種用于多線程嵌入式系統(tǒng)的無鎖化內(nèi)存申請(qǐng)釋放方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1.????將原先共享區(qū)域由分配區(qū)/緩存雙向鏈表轉(zhuǎn)移到了線程的一條單向鏈表，而分配區(qū)/緩存鏈表轉(zhuǎn)變?yōu)榫€程獨(dú)享，這樣直接避免了緩存區(qū)或者內(nèi)存分配區(qū)的鎖的沖突。；

2.????因?yàn)楣蚕韰^(qū)域簡(jiǎn)單化為單向鏈表，利用比較并替換（CAS）和替換兩個(gè)原子操作代替了互斥鎖；

3.????基于嵌入式系統(tǒng)線程的周期性，利用實(shí)時(shí)性任務(wù)周期性處理消息，在處理消息結(jié)束時(shí)觸發(fā)檢測(cè)，歸還單向鏈表里的內(nèi)存。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中線程掛載的鏈表結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中內(nèi)存塊狀態(tài)變化圖；