文章目錄

• 教程目錄
• 2.1 為什么要自己實現內存管理
• 2.2 FreeRTOS的5種內存管理方法
  • 2.2.1 Heap_1
  • 2.2.2 Heap_2
  • 2.2.3 Heap_3
  • 2.2.4 Heap_4
  • 2.2.5 Heap_5
• 2.3 Heap相關的函數
  • 2.3.1 pvPortMalloc/vPortFree
  • 2.3.2 xPortGetFreeHeapSize
  • 2.3.3 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize
  • 2.3.4 malloc失敗的鉤子函數

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教程目錄

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2.1 為什么要自己實現內存管理

后續的章節涉及這些內核對象：task、queue、semaphores和event group等。為了讓FreeRTOS更容易使用，這些內核對象一般都是動態分配：用到時分配，不使用時釋放。使用內存的動態管理功能，簡化了程序設計：不再需要小心翼翼地提前規劃各類對象，簡化API函數的涉及，甚至可以減少內存的使用。

內存的動態管理是C程序的知識范疇，并不屬于FreeRTOS的知識范疇，但是它跟FreeRTOS關系是如此緊密，所以我們先講解它。

在C語言的庫函數中，有mallc、free等函數，但是在FreeRTOS中，它們不適用：

• 不適合用在資源緊缺的嵌入式系統中
• 這些函數的實現過于復雜、占據的代碼空間太大
• 并非線程安全的(thread-safe)
• 運行有不確定性：每次調用這些函數時花費的時間可能都不相同
• 內存碎片化
• 使用不同的編譯器時，需要進行復雜的配置
• 有時候難以調試

注意：我們經常"堆棧"混合著說，其實它們不是同一個東西：

• 堆，heap，就是一塊空閑的內存，需要提供管理函數
  • malloc：從堆里劃出一塊空間給程序使用
  • free：用完后，再把它標記為"空閑"的，可以再次使用
• 棧，stack，函數調用時局部變量保存在棧中，當前程序的環境也是保存在棧中
  • 可以從堆中分配一塊空間用作棧

2.2 FreeRTOS的5種內存管理方法

FreeRTOS中內存管理的接口函數為：pvPortMalloc 、vPortFree，對應于C庫的malloc、free。

文件在FreeRTOS/Source/portable/MemMang下，它也是放在portable目錄下，表示你可以提供自己的函數。

源碼中默認提供了5個文件，對應內存管理的5種方法。

參考文章：FreeRTOS說明書吐血整理【適合新手+入門】

2.2.1 Heap_1

它只實現了pvPortMalloc，沒有實現vPortFree。

如果你的程序不需要刪除內核對象，那么可以使用heap_1：

• 實現最簡單
• 沒有碎片問題
• 一些要求非常嚴格的系統里，不允許使用動態內存，就可以使用heap_1

它的實現原理很簡單，首先定義一個大數組：

/* 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，對于pvPortMalloc調用時，從這個數組中分配空間。

FreeRTOS在創建任務時，需要2個內核對象：task control block(TCB)、stack。

使用heap_1時，內存分配過程如下圖所示：

• A：創建任務之前整個數組都是空閑的
• B：創建第1個任務之后，藍色區域被分配出去了
• C：創建3個任務之后的數組使用情況

2.2.2 Heap_2

Heap_2之所以還保留，只是為了兼容以前的代碼。新設計中不再推薦使用Heap_2。建議使用Heap_4來替代Heap_2，更加高效。

Heap_2也是在數組上分配內存，跟Heap_1不一樣的地方在于：

• Heap_2使用最佳匹配算法(best fit)來分配內存
• 它支持vPortFree

最佳匹配算法：

• 假設heap有3塊空閑內存：5字節、25字節、100字節
• pvPortMalloc想申請20字節
• 找出最小的、能滿足pvPortMalloc的內存：25字節
• 把它劃分為20字節、5字節
  • 返回這20字節的地址
  • 剩下的5字節仍然是空閑狀態，留給后續的pvPortMalloc使用

與Heap_4相比，Heap_2不會合并相鄰的空閑內存，所以Heap_2會導致嚴重的"碎片化"問題。

但是，如果申請、分配內存時大小總是相同的，這類場景下Heap_2沒有碎片化的問題。所以它適合這種場景：頻繁地創建、刪除任務，但是任務的棧大小都是相同的(創建任務時，需要分配TCB和棧，TCB總是一樣的)。

雖然不再推薦使用heap_2，但是它的效率還是遠高于malloc、free。

使用heap_2時，內存分配過程如下圖所示：

• A：創建了3個任務
• B：刪除了一個任務，空閑內存有3部分：頂層的、被刪除任務的TCB空間、被刪除任務的Stack空間
• C：創建了一個新任務，因為TCB、棧大小跟前面被刪除任務的TCB、棧大小一致，所以剛好分配到原來的內存

2.2.3 Heap_3

Heap_3使用標準C庫里的malloc、free函數，所以堆大小由鏈接器的配置決定，配置項configTOTAL_HEAP_SIZE不再起作用。

C庫里的malloc、free函數并非線程安全的，Heap_3中先暫停FreeRTOS的調度器，再去調用這些函數，使用這種方法實現了線程安全。

2.2.4 Heap_4

跟Heap_1、Heap_2一樣，Heap_4也是使用大數組來分配內存。

Heap_4使用首次適應算法(first fit)來分配內存。它還會把相鄰的空閑內存合并為一個更大的空閑內存，這有助于較少內存的碎片問題。

首次適應算法：

• 假設堆中有3塊空閑內存：5字節、200字節、100字節
• pvPortMalloc想申請20字節
• 找出第1個能滿足pvPortMalloc的內存：200字節
• 把它劃分為20字節、180字節
  • 返回這20字節的地址
  • 剩下的180字節仍然是空閑狀態，留給后續的pvPortMalloc使用

Heap_4會把相鄰空閑內存合并為一個大的空閑內存，可以較少內存的碎片化問題。適用于這種場景：頻繁地分配、釋放不同大小的內存。

Heap_4的使用過程舉例如下：

• A：創建了3個任務
• B：刪除了一個任務，空閑內存有2部分：
  • 頂層的
  • 被刪除任務的TCB空間、被刪除任務的Stack空間合并起來的
• C：分配了一個Queue，從第1個空閑塊中分配空間
• D：分配了一個User數據，從Queue之后的空閑塊中分配
• E：釋放的Queue，User前后都有一塊空閑內存
• F：釋放了User數據，User前后的內存、User本身占據的內存，合并為一個大的空閑內存

Heap_4執行的時間是不確定的，但是它的效率高于標準庫的malloc、free。

2.2.5 Heap_5

Heap_5分配內存、釋放內存的算法跟Heap_4是一樣的。

相比于Heap_4，Heap_5并不局限于管理一個大數組：它可以管理多塊、分隔開的內存。

在嵌入式系統中，內存的地址可能并不連續，這種場景下可以使用Heap_5。

既然內存是分隔開的，那么就需要進行初始化：確定這些內存塊在哪、多大：

• 在使用pvPortMalloc之前，必須先指定內存塊的信息
• 使用vPortDefineHeapRegions來指定這些信息

怎么指定一塊內存？使用如下結構體：

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

怎么指定多塊內存？使用一個HeapRegion_t數組，在這個數組中，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 } // 表示數組結束
 };

vPortDefineHeapRegions函數原型如下：

void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions );

把xHeapRegions數組傳給vPortDefineHeapRegions函數，即可初始化Heap_5。

2.3 Heap相關的函數

2.3.1 pvPortMalloc/vPortFree

函數原型：

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );	// 分配內存，如果分配內存不成功，則返回值為NULL。
void vPortFree( void * pv );	// 釋放內存

作用：分配內存、釋放內存。

如果分配內存不成功，則返回值為NULL。

2.3.2 xPortGetFreeHeapSize

函數原型：

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

當前還有多少空閑內存，這函數可以用來優化內存的使用情況。比如當所有內核對象都分配好后，執行此函數返回2000，那么configTOTAL_HEAP_SIZE就可減小2000。

注意：在heap_3中無法使用。

2.3.3 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

函數原型：

size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );

返回：程序運行過程中，空閑內存容量的最小值。

注意：只有heap_4、heap_5支持此函數。

2.3.4 malloc失敗的鉤子函數

在pvPortMalloc函數內部：

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

所以，如果想使用這個鉤子函數：

• 在FreeRTOSConfig.h中，把configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK定義為1
• 提供vApplicationMallocFailedHook函數
• pvPortMalloc失敗時，才會調用此函數?