嵌入式LwIP协议栈的内存管理(2)

应用程序发送动态产生的数据时，可以用PBUF_RAM类型的pbuf。PBUF_RAM在事先划分好的内存堆中分配。对该内存堆的操作类似于C语言中的malloc/free。内存堆分配的结构如图2所示。图2中每个被分配的存储块附带了一个小结构，该结构的两个指针指向相邻的内存块。used标识位用来指示该内存块的分配情况，阴影部分表示已经被分配了，此时used为1。当需要一块N字节的存储块时，就对整个存储堆进行搜索。如果找到一块未用的(used=0)并且容量不小于N字节的区域就表示分配成功，并且置used为1。而分配的内存块使用完后需要释放，为了不产生碎片，相邻且未用的内存块需要进行合并。

 

pbuf_POOL和PBUF_RAM都可以根据需要从存储器中动态分配，这种分配机制又称为动态存储器分配机制。该分配机制不仅能为应用程序的数据分配存储空间，而且能为协议首部分配存储空间。在层与层之间传递数据时，真正需要修改的只是数据的格式，使之符合各层的规范，而数据本身不需要变动。实际上数据格式反应的是各层的首部，当数据在各层之间传送时，需要动态地添加和移去相应的首部，用动态分配机制可以很好地实现。

2.2 应用程序管理的存储器

应用程序管理的存储器是指应用程序管理、操作的存储区域，一般从该区域为应用程序发送数据分配缓存。虽然该存储区域不由TCP/IP协议栈管理，但在不严格分层的协议栈中，该存储区域必须与TCP/IP管理的存储器协同工作。为节省内存,LwIP不采取分级访问模式，而是通过指针访问数据。这样就不需要为数据的传递分配存储空间。应用程序发送的数据在交付LwIP后，LwIP就认为这些数据是不能被改动的，因此应用程序的数据被认为是永远存在并且不能被改变的。这一点与ROM很相似，类型名PBUF_ROM也由此而来。

如图3所示，PBUF_ROM的数据指针payload指向External memory(外部存储区)。External memory指不由TCP/IP协议栈管理的存储区，它可以是应用程序管理的存储器为用户数据分配的缓存，也可以是ROM区域，如静态网页中的字符串常量等。由于由应用程序交付的数据不能被改动，因此就需要动态地分配一个PBUF_RAM来装载协议的首部，然后将PBUF_RAM(首部)添加到PBUF_ROM(数据)的前面。这样就构成了一个完整的数据分组。

图3中的PBUF_ROM还可以是PBUF_REF。

REF和PBUF_ROM的特性非常相似，都可以实现数据的零拷贝。但是当发送的数据需要排队时就表现出PBUF_REF的特性了。例如在发送分组时，待发送的分组需要在ARP队列中排队，假如这些分组中有PBUF_ROM类型的pbuf，则说明该类型pbuf中的数据位于应用程序的存储区域，是通过指针被PBUF_ROM引用的。这样直到分组被处理之前，被引用的应用程序的这块存储区域都不能另作它用。在此情况下要用到PBUF_REF类型的pbuf。在排队时，LwIP会为PBUF_REF类型的pbuf分配缓存(PBUF_POOL或PBUF_RAM)，并将引用的应用程序的数据拷贝到分配的缓存中。这样应用程序中被引用数据的存储区域就能被释放。

pbuf结构实现了层与层之间的数据传递，但其非常消耗内存，并且需要TCP/IP协议栈为之分配存储空间，例如协议控制udp_pcb、tcp_pcb等。通常，嵌入式TCP/IP协议栈都不是严格分层的，尽量减少对内存的需求是实现嵌入式TCP/IP的重点，内核的内存管理机制直接关系到嵌入式TCP/IP协议栈的性能。