FreeRTOS的内存管理（选择heap4.c文件的理由）

       

目录

1. 了解FreeRTOS内存管理

2. 了解内存碎片

3.了解各个heap.c的内存分配方法

1.heap1.c

2.heap2.c

3.heap3.c

4.heap4.c

5.heap5.c

总结：

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      内存管理是一个系统基本组成部分，FreeRTOS 中大量使用到了内存管理，比如创建任务、信号量、队列等会自动从堆中申请内存，用户应用层代码也可以 FreeRTOS 提供的内存管理函数来申请和释放内存，他们是heap1~5.c，下面就粗略的讲解一下他们的特性。

1. 了解FreeRTOS内存管理

      FreeRTOS创建任务、队列、信号量等的时候有两种方法，一种是动态的申请所需的RAM。 一种是由用户自行定义所需的 RAM，这种方法也叫静态方法，使用静态方法的函数一般以 “Static”结尾，比如任务创建函数 xTaskCreateStatic()，使用此函数创建任务的时候需要由用户定义任务堆栈，本章我们不讨论这种静态方法。

     使用动态内存管理的时候 FreeRTOS  内核在创建任务、队列、信号量的时候会动态的申请RAM。标准 C 库中的 malloc()和 free()也可以实现动态内存管理，但是如下原因限制了其使用：

● 在小型的嵌入式系统中效率不高。

● 会占用很多的代码空间。

● 它们不是线程安全的。

● 具有不确定性，每次执行的时间不同。

● 会导致内存碎片。

● 使链接器的配置变得复杂。

       不同的嵌入式系统对于内存分配和时间要求不同，因此一个内存分配算法可以作为系统的可选选项。FreeRTOS 将内存分配作为移植层的一部分，这样 FreeRTOS 使用者就可以使用自己的合适的内存分配方法。

      当内核需要 RAM 的时候可以使用 pvPortMalloc()来替代 malloc()申请内存，不使用内存的时候可以使用 vPortFree()函数来替代 free()函数释放内存。函数 pvPortMalloc()、vPortFree()与函 数 malloc() 、free()的函数原型类似。

      FreeRTOS 提供了 5 种内存分配方法，FreeRTOS 使用者可以其中的某一个方法，或者自己的内存分配方法。这 5 种方法是 5 个文件，分别为:heap_ 1.c 、heap_2.c 、heap_3.c 、heap_4.c 和 heap_5.c。这 5 个文件再 FreeRTOS 源码中，路径：FreeRTOS->Source->portable->MemMang ， 后面会详细讲解这 5 种方法有何区别。

2. 了解内存碎片

在看 FreeRTOS  的内存分配方法之前我们先来看一下什么叫做内存碎片，看名字就知道是 小块的、碎片化的内存。那么内存碎片是怎么来的呢？内存碎片是伴随着内存申请和释放而来 的，如图所示。

(1)、此时内存堆还没有经过任何操作，为全新的。

(2)、此时经过第一次内存分配，一共分出去了 4 块内存块，大小分别为 80B、80B 、10B 和 100B。

(3)、有些应用使用完内存，进行了释放，从左往右第一个 80B 和后面的 10B 这两个内存块 就是释放的内存。如果此时有个应用需要 50B 的内存，那么它可以从两个地方来获取到，一个 是最前面的还没被分配过的剩余内存块，另一个就是刚刚释放出来的 80B 的内存块。但是很明 显，刚刚释放出来的这个 10B 的内存块就没法用了，除非此时有另外一个应用所需要的内存小 于 10B。

(4)、经过很多次的申请和释放以后，内存块被不断的分割、最终导致大量很小的内存块！ 也就是图中 80B 和 50B 这两个内存块之间的小内存块，这些内存块由于太小导致大多数应用无 法使用，这些没法使用的内存块就沦为了内存碎片！

内存碎片是内存管理算法重点解决的一个问题，否则的话会导致实际可用的内存越来越少， 最终应用程序因为分配不到合适的内存而奔溃！FreeRTOS  的 heap_4.c 就给我们提供了一个解 决内存碎片的方法，那就是将内存碎片进行合并组成一个新的可用的大内存块。

3.了解各个heap.c的内存分配方法

1.heap1.c

heap_ 1 实现起来就是当需要 RAM  的时候就从一个大数组(内存堆)中分一小块出来，大数组(内存堆)的容量为 configTOTAL_HEAP_SIZE，上面已经说了。使用函数xPortGetFreeHeapSize() 可以获取内存堆中剩余内存大小。

注意！！！heap1.c没有内存释放函数！

heap_1 的特性如下：

1、适用于那些一旦创建好任务、信号量和队列就再也不会删除的应用，实际上大多数的 FreeRTOS 应用都是这样的。

2、具有可确定性(执行所花费的时间大多数都是一样的)，而且不会导致内存碎片。

3、代码实现和内存分配过程都非常简单，内存是从一个静态数组中分配到的，也就是适合 于那些不需要动态内存分配的应用。

2.heap2.c

heap_2 提供了一个更好的分配算法，不像heap_ 1 那样，heap_2提供了内存释放函数heap_2 不会把释放的内存块合并成一个大块，这样有一个缺点，随着你不断的申请内存，内存堆就会被分为很多个大小不一的内存(块)，也就是会导致内存碎片！heap_4  提供了空闲内存块合并的功能。

heap_2 的特性如下：

1、可以使用在那些可能会重复的删除任务、队列、信号量等的应用中，要注意有内存碎片产生！

2、如果分配和释放的内存 n 大小是随机的，那么就要慎重使用了，比如下面的示例：

      ●  如果一个应用动态的创建和删除任务，而且任务需要分配的堆栈大小都是一样的，那么heap_2 就非常合适。如果任务所需的堆栈大小每次都是不同，那么 heap_2 就 不适合了，因为这样会导致内存碎片产生，最终导致任务分配不到合适的堆栈！不过 heap_4 就很适合这种场景了。

      ●  如果一个应用中所使用的队列存储区域每次都不同，那么 heap_2 就不适合了，和上面一样，此时可以使用 heap_4。

     ●  应用需要调用 pvPortMalloc()和 vPortFree()来申请和释放内存，而不是通过其他FreeRTOS的其他 API 函数来间接的调用，这种情况下 heap_2 不适合。

3、如果应用中的任务、队列、信号量和互斥信号量具有不可预料性(如所需的内存大小不能确定，每次所需的内存都不相同，或者说大多数情况下所需的内存都是不同的)的话可能会导致内存碎片。虽然这是小概率事件，但是还是要引起我们的注意！

4、具有不可确定性，但是也远比标准 C 中的 malloc()和 free()效率高！

      heap_2 基本上可以适用于大多数的需要动态分配内存的工程中，而 heap_4 更是具有将内存 碎片合并成一个大的空闲内存块(就是内存碎片回收)的功能。

3.heap3.c

这个分配方法是对标准 C 中的函数 malloc()和 free()的简单封装，FreeRTOS 对这两个函数做了线程保护。

heap_3 的特性如下：

1、需要编译器提供一个内存堆，编译器库要提供 malloc()和 free()函数。比如使用 STM32 的话可以通过修改启动文件中的 Heap_Size 来修改内存堆的大小，如图所示

2、具有不确定性

3 、可能会增加代码量。

注意，在 heap_3 中 configTOTAL_HEAP_SIZE 是没用的！

4.heap4.c

heap_4提供了一个最优的匹配算法，不像heap_2，heap_4会将内存碎片合并成一个大的可用内存块，它提供了内存块合并算法。内存堆为ucHeap[]，大小同样为 configTOTAL_HEAP_SIZE。 可以通过函数 xPortGetFreeHeapSize()来获取剩余的内存大小。

heap_4 特性如下：

1 、可以用在那些需要重复创建和删除任务、队列、信号量和互斥信号量等的应用中。

2、不会像 heap_2 那样产生严重的内存碎片，即使分配的内存大小是随机的。

3、具有不确定性，但是远比 C 标准库中的 malloc()和 free()效率高。

heap_4 非常适合于那些需要直接调用函数 pvPortMalloc()和 vPortFree()来申请和释放内存的应用，注意，我们移植 FreeRTOS 的时候就选择的 heap_4！

heap_4 也使用链表结构来管理空闲内存块，链表结构体与 heap_2 一样。heap_4 也定义了两个局部静态变量 xStart 和 pxEnd 来表示链表头和尾，其中 pxEnd 是指向 BlockLink_t 的指针。

5.heap5.c

       heap_5 使用了和 heap_4 相同的合并算法，内存管理实现起来基本相同，但是heap_5允许内存堆跨越多个不连续的内存段。比如STM32 的内部 RAM 可以作为内存堆，但是STM32内部RAM比较小，遇到那些需要大容量 RAM 的应用就不行了，如音视频处理。不过 STM32 可 以外接 SRAM  甚至大容量的 SDRAM，如果使用 heap_4  的话你就只能在内部 RAM  和外部 SRAM 或 SDRAM 之间二选一了，使用 heap_5 的话就不存在这个问题，两个都可以一起作为内存堆来用。

       如果使用 heap_5 的话，在调用 API 函数之前需要先调用函数vPortDefineHeapRegions()来对内存堆做初始化处理，在vPortDefineHeapRegions()未执行完之前禁止调用任何可能会调用pvPortMalloc()的 API 函数！比如创建任务、信号量、队列等函数。函数vPortDefineHeapRegions() 只有一个参数，参数是一个 HeapRegion_t 类型的数组，HeapRegion 为一个结构体，此结构体在 portable.h 中有定义，这里就不例出例子了。    

      注意，数组中成员顺序按照地址从低到高的顺序排列，而且最后一个成员必须使用NULL。heap_5 允许内存堆不连续，说白了就是允许有多个内存堆。在 heap_2 和 heap_4 中只有一个内 存堆，初始化的时候只也只需要处理一个内存堆。 heap_5 有多个内存堆，这些内存堆会被连接 在一起，和空闲内存块链表类似，这个处理过程由函数 vPortDefineHeapRegions()完成。

      使用heap_5  的时候在一开始就应该先调用函数 vPortDefineHeapRegions()完成内存堆的初始化！然后才能创建任务、信号量这些东西。

//使用heap_5 的时候在开启任务调度器、创建任务、创建信号量之前一定要先

//调用函数 vPortDefineHeapRegions()初始化内存堆！

vPortDefineHeapRegions((const HeapRegion_t *)xHeapRegions);

      heap_5 的内存申请和释放函数和 heap_4 基本一样，这里就不详细讲解了，大家可以对照着前面 heap_4 的相关内容来自行分析。

     至此，FreeRTOS 官方提供的 5 种内存分配方法已经讲完了，heap_1 最简单，但是只能申请 内存，不能释放。heap_2 提供了内存释放函数，用户代码也可以直接调用函数 pvPortMalloc()和 vPortFree()来申请和释放内存，但是 heap_2 会导致内存碎片的产生！heap_3 是对标准 C 库中的 函数 malloc()和 free()的简单封装，并且提供了线程保护。heap_4 相对与 heap_2 提供了内存合 并功能，可以降低内存碎片的产生，我们移植 FreeRTOS 的时候就选择了 heap_4 。heap_5 基本 上和 heap_4 一样，只是 heap_5 支持内存堆使用不连续的内存块。

总结：

       heap.c虽然在使用的时候可以傻瓜式的直接无脑使用heap.4,但从heap1到heap5，我们可以看到FreeRTOS对于更加有秀的内存分配方法所作出的努力，从heap1只能固定格式分配、没提供内存删除函数、到heap4提供内存合并算法，就像牙牙学语的婴儿逐步成长成为了巨人，越来越强大。

     到这里，FreeRTOS的学习也告一段落，FreeRTOS中的队列、信号量、列表、软件定时器、配置API函数、事件组、任务通知、延迟函数、空闲函数、优先级希望大家有学会并有所收获，下面就是做实际的项目边学边练，希望大家能够将FreeRTOS学到手！