内存池管理库 (Pool.c/Pool.h)

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概述

一个轻量级固定大小内存块管理库，适用于嵌入式系统或高频内存分配场景。通过预分配内存和双向链表管理，提供高效的内存分配与释放功能。内存池使用双向链表管理空闲块，并支持相邻空闲块的自动合并，有效减少内存碎片。

内部实现原理

数据结构

内存块结构体 (pool_block_t)

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typedef struct pool_block_t
{
    struct pool_block_t *Block_Prev; // 前一个块指针
    struct pool_block_t *Block_Next; // 后一个块指针

    struct
    {
        block_state_t Block_State:1; // 块状态，0表示空闲，1表示占用
        uint16_t Blocks_Num:15;      // 连续块数量
    } Block_Info;
} pool_block_t;

内存池管理结构体 (mempool_t)

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typedef struct
{
    pool_block_t *Mempool_FreeBlockHead; // 空闲块链表头指针
    uint32_t Mempool_Busy;              // 已占用块数量
    uint32_t Mempool_Free;              // 空闲块数量
    uint8_t *Mempool_Total;             // 内存池总地址指针
    pool_block_t *Mempool_Block_Info;   // 块信息数组指针
} mempool_t;

关键算法

内存分配

1. 单块分配 - 直接从空闲链表头部获取一个块，时间复杂度O(1)
2. 多块分配 - 查找连续的空闲块，并从空闲链表中移除

内存释放

1. 空闲块合并 - 检测并合并左右相邻的空闲块
2. 链表维护 - 将释放的块重新加入空闲链表

内存池完整性检查

1. 空闲块计数验证 - 确保记录的空闲块数量与实际一致
2. 链表环路检测 - 使用快慢指针算法检测链表是否有环
3. 节点有效性检查 - 验证每个节点指针是否在有效范围内

功能特性

• ✅ 固定块大小内存管理
• ✅ 双向链表维护空闲块
• ✅ 内存碎片合并优化
• ✅ 内存池完整性检查
• ✅ 清零分配的内存块
• ✅ 支持连续多块分配
• ✅ 自动合并相邻空闲块

快速开始

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// 初始化内存池（块大小64字节，1024个块）
if(!MemPool_Init(64, 1024)) {
    // 错误处理
}

// 分配内存
void* ptr = MemPool_Malloc(128); // 分配128字节（2个块）

// 使用内存...

// 释放内存
MemPool_Free(ptr);

// 销毁内存池
MemPool_Deinit();

API参考

初始化/销毁

内存操作

设计优势

1. 高效分配 - O(1)时间复杂度分配单个块
2. 碎片合并 - 自动合并相邻空闲块，减少内存碎片
3. 安全校验 - 包含内存池完整性检查，防止内存损坏
4. 预分配机制 - 避免运行时内存碎片和分配失败
5. 双向链表 - 高效的空闲块管理和快速的块移除操作

内部优化

1. 快慢指针检测 - 高效检测链表环路，防止内存池损坏
2. 内联函数 - 关键分配和释放函数使用内联优化性能
3. 位域结构 - 使用位域优化内存块信息存储
4. 自动清零 - 分配的内存块自动初始化为零

使用限制⚠️

1. 仅支持固定块大小分配
2. 非线程安全，多线程环境需额外同步
3. 初始化后无法动态扩展内存池大小
4. 最大支持32767个连续块(受Blocks_Num字段限制)

典型应用场景

• 嵌入式系统内存管理
• 网络数据包缓冲
• 实时任务调度
• 高频内存分配/释放场景
• 对象池实现
• 消息队列缓冲区

示例配置

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#define MEMPOOL_BLOCK_SIZE 64   // 每个块64字节
#define MEMPOOL_BLOCK_NUM 1024  // 共1024个块

性能提示

🔹 分配单个块比多个连续块更快，单块分配为O(1)复杂度  
🔹 释放时会自动合并相邻空闲块，减少内存碎片  
🔹 调试时可启用`DEBUG`宏进行内存池完整性检查  
🔹 内存分配前会自动清零，无需手动初始化  
🔹 内存池放置在SRAM区域，提高访问速度  

实现细节

内存布局

内存池由两部分组成：

1. 数据区域 - 存储实际数据的连续内存空间
2. 管理区域 - 存储每个块的元数据信息

空闲块管理

• 使用双向链表连接所有空闲块
• 新分配的块从链表头部获取
• 释放的块添加到链表头部

连续块分配

当需要分配多个连续块时：

1. 扫描内存池查找连续空闲块
2. 从空闲链表中移除这些块
3. 更新第一个块的Blocks_Num字段

内存释放与合并

释放内存时会检查左右相邻块：

1. 如果有相邻空闲块，从空闲链表中移除
2. 合并所有相邻空闲块为一个大块
3. 将合并后的大块添加到空闲链表头部