基于STM32F103的FreeRTOS系列拓展·内存管理

1. 内存管理

1.1 为什么要自己实现内存管理

1.2 FreeRTOS的5中内存管理方法

1.3.1 pvPortMalloc/vPortFree

1.3.2 xPortGetFreeHeapSize

1.3.3 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

1.3.4 malloc失败的钩子函数

1. 内存管理

1.1 为什么要自己实现内存管理

在FreeRTOS涉及许多内核对象：task、queue、semaphores和event group等。为了让FreeRTOS更容易使用，这些内核对象一般都是动态分配：用到时分配，不使用时释放。使用内存的动态管理功能，简化了程序设计：不再需要小心翼翼地提前规划各类对象，简化API函数的涉及，甚至可以减少内存的使用。

堆，heap，就是一块空闲的内存，需要提供管理函数

malloc：从堆里划出一块空间给程序使用

free：用完后，再把它标记为"空闲"的，可以再次使用

栈，stack，函数调用时局部变量保存在栈中，当前程序的环境也是保存在栈中

可以从堆中分配一块空间用作栈

1.2 FreeRTOS的5中内存管理方法

FreeRTOS中内存管理的接口函数为：pvPortMalloc 、vPortFree，对应于C库的malloc、free。文件在FreeRTOS/Source/portable/MemMang下：

文件	优点	缺点
heap_1.c	分配简单，时间确定	只分配、不回收
heap_2.c	动态分配、最佳匹配	碎片、时间不定
heap_3.c	调用标准库函数	速度慢、时间不定
heap_4.c	相邻空闲内存氪合并	可解决碎片问题、时间不定
heap_5.c	在heap_4基础上支持分隔内存块	可解决碎片问题、时间不定

1.2.1 heap_1.c

它只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree。

如果你的程序不需要删除内核对象，那么可以使用heap_1：

实现最简单

没有碎片问题

一些要求非常严格的系统里，不允许使用动态内存，就可以使用heap_1

它的实现原理很简单，首先定义一个大数组：

/* Allocate the memory for the heap. */
##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 */

然后，对于pvPortMalloc调用时，从这个数组中分配空间。

FreeRTOS在创建任务时，需要2个内核对象：task control block(TCB)、stack。使用heap_1时，内存分配过程如下图所示：

A：创建任务之前整个数组都是空闲的

B：创建第1个任务之后，蓝色区域被分配出去了

C：创建3个任务之后的数组使用情况

1.2.2 heap_2.c

Heap_2之所以还保留，只是为了兼容以前的代码。新设计中不再推荐使用Heap_2。建议使用Heap_4来替代Heap_2，更加高效。

Heap_2也是在数组上分配内存，跟Heap_1不一样的地方在于：

Heap_2使用最佳匹配算法(best fit)来分配内存

它支持vPortFree

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、分配内存时大小总是相同的，这类场景下Heap_2没有碎片化的问题。所以它适合这种场景：频繁地创建、删除任务，但是任务的栈大小都是相同的(创建任务时，需要分配TCB和栈，TCB总是一样的)。

虽然不再推荐使用heap_2，但是它的效率还是远高于malloc、free。

使用heap_2时，内存分配过程如下图所示：

A：创建了3个任务

B：删除了一个任务，空闲内存有3部分：顶层的、被删除任务的TCB空间、被删除任务的Stack空间

C：创建了一个新任务，因为TCB、栈大小跟前面被删除任务的TCB、栈大小一致，所以刚好分配到原来的内存

1.2.3 heap_3.c

Heap_3使用标准C库里的malloc、free函数，所以堆大小由链接器的配置决定，配置项configTOTAL_HEAP_SIZE不再起作用。

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。

1.2.4 heap_4.c

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。

首次适应算法：

假设堆中有3块空闲内存：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_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。

既然内存是分隔开的，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。比如：

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 );

1.3 相关函数

1.3.1 pvPortMalloc/vPortFree

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

作用：分配内存、释放内存。

如果分配内存不成功，则返回值为NULL。

1.3.2 xPortGetFreeHeapSize

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

当前还有多少空闲内存，这函数可以用来优化内存的使用情况。比如当所有内核对象都分配好后，执行此函数返回2000，那么configTOTAL_HEAP_SIZE就可减小2000。

注意：在heap_3中无法使用。

1.3.3 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );

返回：程序运行过程中，空闲内存容量的最小值。

注意：只有heap_4、heap_5支持此函数。

1.3.4 malloc失败的钩子函数

在pvPortMalloc函数内部：

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )vPortDefineHeapRegions
{
    ......
    #if ( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )
        {
            if( pvReturn == NULL )
            {
                extern void vApplicationMallocFailedHook( void );
                vApplicationMallocFailedHook();
            }
        }
    #endif
    
    return pvReturn;        
}

所以，如果想使用这个钩子函数：

在FreeRTOSConfig.h中，把configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK定义为1
提供vApplicationMallocFailedHook函数
pvPortMalloc失败时，才会调用此函数

FreeRTOS_时光の尘的博客-CSDN博客