LiteOS内存管理：TLSF算法

TLSF算法主要是面向实时操作系统提出的，对于RTOS而言，执行时间的确定性是最根本的，然而传统的动态内存分配器（DMA，Dynamic Memory Allocator）存在两个主要问题：

TLSF的提出，较好地解决了以上两个问题：将动态内存的分配与回收时间复杂度都降到了O(1)时间复杂度，并且采用了Good-fit的分配策略保证系统运行时不会产生过多碎片。

TLSF（Two-Level Segregated Fit），从命名来看主要分为三部分：

前两个是数据结构，第三个是分配策略。
TLSF主要采用两级位图（Two-Level Bitmap）与分级空闲块链表（Segregated Free List）的数据结构管理动态内存池（memory pool）以及其中的空闲块（free blocks），用Good-Fit的策略进行分配。

将Segregated Free List拆开，分为：

List

链表是内存管理中最常见的数据结构，在一块内存块头部添加一个头结点，记录该Block本身的信息，以及前后级Block的关系。

隐式链表，链接所有内存块，只记录内存块大小，由于内存块相连，通过头结点指针加内存块大小即可得到下一个内存块的位置。
没有显示指明内存块的地址，而是通过计算得到，所以又叫做隐式链表。

当需要分配内存时，需要从第一块内存块开始检索，检查该内存块是否被分配以及内存块大小是否满足需要，直到找到大小合适的空闲块分配出去。

隐式链表主要问题在于当内存分配时并不需要检索已分配的内存块，这浪费了不少时间，只需要检索空闲块即可。

因此，显示空闲块链表在空闲块头部添加一个指针域，指向下一个空闲块，这样检索时会跳过已分配的内存块（used blocks）。

Segregated Free List

隐式链表和显示链表主要问题在于当空闲块个数为n时，检索复杂度在O(n)级别，速度较慢，分级空闲块链表优化了空闲块检索的复杂度，粗略计算大概降到O(log n)级别。

分级空闲块链表（Segregated Free List）的设计思想是将空闲块按照大小分级，形成了不同块大小范围的分级（class），组内空闲块用链表链接起来。

每次分配时先按分级大小范围查找到相应链表，再从相应链表挨个检索合适的空闲块，如果找不到，就在大小范围更大的一级查找，直到找到合适的块分配出去。

上面我们介绍了分级空闲块链表的原理，但是我们并没有提及如何按照空闲块大小分级。

TLSF算法引入了位图（bitmap）来解决这个问题。

位图（Bitmap）

TLSF采用了两级位图（Two-Level Bitmap）来管理不同大小范围的空闲块链（free block lists）。上图中包含三个虚线矩形框分别是：

有了TLSF的大体框架概念以后，就可以先看一下内存alloc与free的简要流程。

内存分配流程

内存释放流程

常规思路：Best-fit（内部碎片最优）

常规思路是：找到能满足内存请求大小的最小空闲块，就会有下面的流程（以搜索大小为69字节的空闲块为例）。

Best-fit已经很不错了，但仍然有提升空间。Best-fit策略最主要的问题还在于第三步，仍然需要检索对应范围的那一条空闲块链表，存在潜在的时间复杂度。

Good-fit（少量碎片换取O(1)时间复杂度）

Good-fit并不保证找到满足需求的最小空闲块，而是尽可能接近要分配的大小。

还以上述搜索大小为69字节的空闲块为例，查找范围稍微大一点儿的，如[70,72]，这样设计的好处是[70,72]对应的空闲块链中每一块都能满足需求，不需要检索空闲块链表找到最小的，而是直接取空闲块链中第一块即可。整体上也不会造成太多碎片。