FreeRTOS内存管理

1. 为什么要自己实现内存管理

• 对于内核对象，可以使用时分配，不使用时释放
• C语音的库函数不适应与FreeRTOS:
  • 实现过于复杂，占用空间大
  • 并非线程安全的
  • 运行不确定性：每次运算时间不确定
  • 内存碎片化
  • 不太编译器配置不同
  • 调试难

2. 堆栈

我们经常说的“堆栈”，是两种不同的东西

2.1. 堆

heap就是一块空闲的内存，通过malloc、free来管理

2.2. 栈

stack，函数调用时局部变量保存在栈中，当前的程序环境也保存在栈中，可以充堆中分配一块内存用于栈空间

3. FreeRTOS系统5种内存管理方法

文件在 FreeRTOS/Source/portable/MemMang 下，5个文件对应5中内存管理方法：

3.1. Heap_1

3.1.1. 特点

只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree，如果程序中不需要删除内核对象，不需要释放内存，那么可以实现heap_1：

• 实现最简单
• 没有碎片问题
• 一些要求非常严格的系统中，不允许使用动态内存，可实现heap_1

3.1.2. 实现原理

• 定义一个大数组

#if ( configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP == 1 )
/* The application writer has already defined the array used for the RTOS
* heap - probably so it can be placed in a special segment or address. */
extern uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
#else
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
#endif /* configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP */

• 调用pvPortMalloc调用时，从数组中分配空间

注意：
内存申请时，需要字节对齐处理
–> 在有些处理器中，访问奇地址访问内存会报错

3.2. Heap_2

Heap_2 之所以还保留，只是为了兼容以前的代码。新的设计中，不再推进实现Heap_2。
Heap_2也是在数组上分配内存，和Heap_1不一样的地方在于：

• heap_2使用最佳匹配算法来分配内存
• 支持vPortFree

3.2.1. 数据结构

typedef struct A_BLOCK_LINK
{struct A_BLOCK_LINK * pxNextFreeBlock; /*<< The next free block in the list. */size_t xBlockSize;                     /*<< The size of the free block. */
} BlockLink_t;

3.2.2. 内存结构

3.2.3. 最佳匹配算法：

• 假设Heap有3个空闲块：5字节、25字节、100字节
• pvPortMalloc想申请20个字节
• 先找到最小的、能满足要求的内存：25字节
• 把它分为20字节、5字节
  • 返回20字节的地址
  • 剩下的5字节仍是空闲状态，继续留给后续使用

与Heap_4相比，Heap_2不会合并相邻的空闲内存，所以Heap_2会导致严重的碎片化问题，但是如果申请、分配内存大小都相同的场景下，Heap_2就没有碎片化问题，所以它适合这些场景：频繁窗户删除任务、但任务的栈大小都是相同的。
虽然不再推荐使用Heap_2，但它的效率还是远高于malloc、free.

3.3. Heap_3

Heap_3 使用标准 C 库里的 malloc、 free 函数，C 库里的 malloc、 free 函数并非线程安全的， Heap_3 中先暂停 FreeRTOS 的调度器，再去调用这些函数，使用这种方法实现了线程安全。

3.4. Heap_4

跟 Heap_1、 Heap_2 一样， Heap_4 也是使用大数组来分配内存。Heap_4 使用首次适应算法(first fit)来分配内存。它还会把相邻的空闲内存合并为一个更大的空闲内存，这有助于较少内存的碎片问题。

3.4.1. 首次适应算法

• 假设堆中有3块空闲的内存：5字节、200字节、100字节
• pvPortMalloc 想申请 20 字节
• 找出第 1 个能满足 pvPortMalloc 的内存： 200 字节
• 把它划分为 20 字节、 180 字节
• 返回这 20 字节的地址
• 剩下的 180 字节仍然是空闲状态，留给后续的 pvPortMalloc 使用

Heap_4 会把相邻空闲内存合并为一个大的空闲内存，可以较少内存的碎片化问题。适用于这种场景：频繁地分配、释放不同大小的内存。
Heap_4 的使用过程举例如下：

• A：创建了 3 个任务
• B：删除了一个任务，空闲内存有 2 部分：
  • 顶层的
  • 被删除任务的 TCB 空间、被删除任务的 Stack 空间合并起来的
• C：分配了一个 Queue，从第 1 个空闲块中分配空间
• D：分配了一个 User 数据，从 Queue 之后的空闲块中分配
• E：释放的 Queue， User 前后都有一块空闲内存
• F：释放了 User 数据， User 前后的内存、 User 本身占据的内存， 合并为一个大的空闲内存
  
  Heap_4 执行的时间是不确定的，但是它的效率高于标准库的 malloc、 free。

3.5. Heap_5

Heap_5 分配内存、释放内存的算法跟 Heap_4 是一样的。
相比于 Heap_4， Heap_5 并不局限于管理一个大数组：它可以管理多块、分隔开的内存。
在嵌入式系统中，内存的地址可能并不连续，这种场景下可以使用 Heap_5。
既然内存时分隔开的，那么就需要进行初始化：确定这些内存块在哪、多大：

• 在使用 pvPortMalloc 之前，必须先指定内存块的信息
• 使用 vPortDefineHeapRegions 来指定这些信息

怎么指定一块内存？使用如下结构体：

typedef struct HeapRegion
{uint8_t * pucStartAddress; // 起始地址size_t xSizeInBytes; // 大小
} HeapRegion_t;

怎么指定多块内存？使用一个 HeapRegion_t 数组，在这个数组中，低地址在前、高地址在后。

HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{{ ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 }, // 起始地址 0x80000000，大小 0x10000{ ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 }, // 起始地址 0x90000000，大小 0xa0000{ NULL, 0 } // 表示数组结束
};

vPortDefineHeapRegions 函数原型如下：

void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions );

把 xHeapRegions 数组传给 vPortDefineHeapRegions 函数，即可初始化 Heap_5。

4. Heap接口

4.1. pvPortMalloc/vPortFree

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );
void vPortFree( void * pv );

4.2. xPortGetFreeHeapSize

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

只有 heap_4、 heap_5 支持此函数。

4.3. xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );

返回：程序运行过程中，空闲内存容量的最小值
只有 heap_4、 heap_5 支持此函数。

4.4. malloc 失败的钩子函数

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )vPortDefineHeapRegions