Zephyr libc简介和malloc分析

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本文简要介绍Zephyr的标准C库，并基于nrf52832分析malloc的heap来源。

本文只对开启了用户模式(CONFIG_USERSPACE)的情况进行分析，未开启的情况也大致相似，只是heap所在section会有所变化

标准C库

zephyr支援下面2种标准C库：

  • minimal: 由zephyr实现的libc库
  • newlib: 由编译工具链提供的libc库

minimal libc

minimal libc库是zephyr提供源代码，部分实现了常用的标准C函数，代码路径为zephyr/lib/libc/minimal，可以从下图大致看到minimal libc支援那些标准C API:
minimal
与minimal libc配置有关的是下面两项

  • CONFIG_MINIMAL_LIBC_LL_PRINTF: printf支援%L，也就是long long的格式化打印
  • CONFIG_MINIMAL_LIBC_MALLOC_ARENA_SIZE：malloc 使用heap的大小，如果不配置，无法使用malloc函数

zephyr默认情况下使用minimal libc, minimal libc在cortex-m4下只占用6K的size
m_size

newlib

Newlib是一个面向嵌入式系统的C运行库, 在arm提供的交叉编译工具集下面就包含了newlib的发行库，zephyr的lib/libc/newlib/libc-hooks.c中实现了newlib的桩函数，完成了对newlib的移植。
zephyr链接的时候会链接newlib的libm,libc,libgcc，因此这里面的函数在zephyr都可以用。
当配置了CONFIG_NEWLIB_LIBC=y后zephyr就使用newlib的标准C函数，和newlib配置相关的有下面几项

  • CONFIG_NEWLIB_LIBC_FLOAT_PRINTF 在链接时加-u_printf_float, 支持printf浮点输出
  • CONFIG_NEWLIB_LIBC_FLOAT_SCANF 在链接时加-u_scanf_float, 支持scanf浮点输入
  • CONFIG_NEWLIB_LIBC_NANO 使用-specs=nano.specs进行编译链接，让导入的newlib更小
  • CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE 指定malloc使用heap的大小，同时会改变heap的位置，后文详述

malloc heap

这里并不说明malloc实现的具体算法，只是对比看一下minimal和newlib在heap alloc上的差异

minimal malloc

实现

minimal 的malloc实现的代码在zephyr/lib/libc/minimal/source/stdlib/malloc.c下，可以从代码看出malloc是直接依赖于sys_mem_pool_alloc对heap的管理

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void *malloc(size_t size)
{
	void *ret;

	ret = sys_mem_pool_alloc(&z_malloc_mem_pool, size);
	if (ret == NULL) {
		errno = ENOMEM;
	}

	return ret;
}

heap

heap的定义如下

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K_APPMEM_PARTITION_DEFINE(z_malloc_partition);
#define POOL_SECTION K_APP_DMEM_SECTION(z_malloc_partition)

//heap z_malloc_mem_pool被放在z_malloc_partition
SYS_MEM_POOL_DEFINE(z_malloc_mem_pool, NULL, 16,
		    CONFIG_MINIMAL_LIBC_MALLOC_ARENA_SIZE, 1, 4, POOL_SECTION);

由K_APP_DMEM_SECTION产生的section会被放到app_smem section中，过程简要如下：

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#define K_APP_DMEM_SECTION(id) data_smem_##id##_data  --> z_malloc_mem_pool 在section data_smem_*中

//下面过程说明app_smem的产生
zephyr/include/arch/arm/cortex_m/scripts/linker.ld   #include <app_smem.ld>
zephyr/include/linker/app_smem.ld #include <app_smem_aligned.ld> 
zephyr/include/linker/app_smem_aligned.ld APP_SMEM_SECTION()
zephyr/include/linker/linker-defs.h #define APP_SMEM_SECTION() KEEP(*(SORT("data_smem_*")))

脚本/home/frank/work/project/westz/zephyr/scripts/gen_app_partitions.py将上面信息解析后生成连接脚本build/zephyr/include/generated/app_smem_aligned.ld可以看到app_smem中包含了z_malloc_partition

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SECTION_PROLOGUE(_APP_SMEM_SECTION_NAME,,)
{
	APP_SHARED_ALIGN;
	_app_smem_start = .;

	/* Auto generated code do not modify */
	SMEM_PARTITION_ALIGN(z_data_smem_z_malloc_partition_bss_end - z_data_smem_z_malloc_partition_part_start);
	z_data_smem_z_malloc_partition_part_start = .;
	KEEP(*(data_smem_z_malloc_partition_data))

	z_data_smem_z_malloc_partition_bss_start = .;
	KEEP(*(data_smem_z_malloc_partition_bss))

因此可知minimal malloc使用的heap被放在app_smem section中。在nrf52832的SRAM map中，app_smem section是被放在内存的最开始处
m_heap

newlib malloc

实现

newlib malloc是newlib内自己实现了内存管理算法，只是使用桩函数_sbrk来管理堆，代码在zephyr/lib/libc/newlib/libc-hooks.c中

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void *_sbrk(int count)
{
	void *ret, *ptr;

	sys_sem_take(&heap_sem, K_FOREVER);

#if CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE
	ptr = heap_base + heap_sz;
#else
	ptr = ((char *)HEAP_BASE) + heap_sz;
#endif

	if ((heap_sz + count) < MAX_HEAP_SIZE) {
		heap_sz += count;
		ret = ptr;
	} else {
		ret = (void *)-1;
	}

	sys_sem_give(&heap_sem);

	return ret;
}
FUNC_ALIAS(_sbrk, sbrk, void *);

heap

zephyr为newlib提供的heap会由于CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE的配置而不同，当配置了CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE, heap将会被放到app_smem section, 代码如下，分析过程可以参考前文的minimal

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#if CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE
K_APPMEM_PARTITION_DEFINE(z_malloc_partition);
#define MALLOC_BSS	K_APP_BMEM(z_malloc_partition)

/* Compiler will throw an error if the provided value isn't a power of two */
MALLOC_BSS static unsigned char __aligned(CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE)
	heap_base[CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE];
#define MAX_HEAP_SIZE CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE

当不配置CONFIG_NEWLIB_LIBC_ALIGNED_HEAP_SIZE时代码如下

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#define USED_RAM_END_ADDR   POINTER_TO_UINT(&_end)

#define HEAP_BASE ((USED_RAM_END_ADDR + \
		CONFIG_ARM_MPU_REGION_MIN_ALIGN_AND_SIZE) & \
	(~(CONFIG_ARM_MPU_REGION_MIN_ALIGN_AND_SIZE - 1)))
#else
#define HEAP_BASE USED_RAM_END_ADDR
#endif /* CONFIG_USERSPACE*/
#define USED_RAM_SIZE  (HEAP_BASE - CONFIG_SRAM_BASE_ADDRESS)
#define MAX_HEAP_SIZE ((KB(CONFIG_SRAM_SIZE)) - USED_RAM_SIZE)

可以看到heap是从_end开始，占用剩余所有的内存
n_heap

参考

https://www.cs.ccu.edu.tw/~pahsiung/courses/esd/resources/newlib.pdf