进阶 - 内存管理 - 《FreeRTOS中文文档 V0.0.1》

freeRTOS源代码中的内存分配机制实现
heap_1.c
heap_2.c
heap_3.c
heap_4.c
heap_5.c

RTOS内核需要使用 RAM 来为每次创建任务、队列、互斥量、信号量、事件组、软件定时器分配内存，内存分配可以由 freeRTOS 的API动态自动从堆上创建，也可以由开发者自己分配。

如果RTOS对象是动态创建的，标准C库中的malloc()和free()函数有时可以达到目的，但是：

在某些嵌入式系统中可能不可用
标准库函数占用代码空间
不是线程安全的
不是精确的，会导致总体执行时间降低

以上问题导致，使用标准C库中的malloc()和free()不太合适。

嵌入式/实时系统存在多种多样的RAM和时序，因此，单一的RAM 分配算法不可能满足所有的应用。

为了解决这个问题，freeRTOS将内存分配API放在了适配层，这意味着，可以做到跟具体处理器及其架构相关，开发者可以根据实际情况实现适合自己系统的内存分配算法。当RTOS内核需要RAM时，调用适配的pvPortMalloc()来获取分配的内存，使用pvPortFree()释放内存。

freeRTOS提供集中堆内存管理机制，用以管理堆内存，当然，开发者也可以实现自己的堆内存管理机制，甚至是同时使用两种堆内存管理机制，例如，使用两种内存管理机制，将任务等RTOS对象放在速度较快的内部RAM中，如51单片机的idate。而将用户的应用程序数据放在速度较慢的外部RAM，如51的xdate。

freeRTOS源代码中的内存分配机制实现

在freeRTOS的源代码里，提供了5个示例内存分配机制，开发者可以根据这5个分配机制的不同特点选择最适合自己应用的。

这5个内存分配实现源代码位于路径Source/Portable/MemMang下的五个文件中(heap_x.c , x = 1 , 2 , 3 , 4 , 5),这5个文件在应用工程中只能包含一个，RTOS的内核将使用这5个文件提供的分配机制管理内存。这5个文件特点如下：

heap_1.c 最简单的，不允许释放已分配的内存
heap_2.c 允许释放已分配内存，但是不允许合并相邻的空块
heap_3.c malloc()和free()的线程安全版本
heap_4.c 合并相邻的空快，避免内存碎片，包括绝对地址定位选项
heap_5.c 在heap_4.c的基础上，允许堆内存跨越多个不同的RAM段

heap_1.c

这是最简单的一种实现机制，不允许释放已经分配的内存。鉴于这种特性，heap_1.c适合具有很大内存的嵌入式系统，因为所有的内存分配在整个系统的生命周期内都是保持不变的，永远不会被释放。

实现方式很简单，通过分割一个数组给所需要的变量，将原来数组占用的RAM分配给变量。这个数组的大小通过confifTOTAL_HEAP_SIZE设置，使用configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP设置这个数组在RAM中的地址。

在开发过程中，可以使用xPortGetFreeHeapSize()API函数返回空闲的数组内存大小，开发者可以根据这个返回值确定系统实际所需堆内存大小，从而优化configTOTAL_HEAP_SIZE的大小。

heap_1.c特点：

如果你的应用不会删除任务、队列等RTOS对象，则使用这个机制是合适的
总是精确的(总是花费相同的时间去执行)，并且不会导致内存碎片
从一个已经静态分配好的数组中分配内存是很简单的，这意味着，这很适合那些不允许真正的动态内存分配的系统

heap_2.c

相比heap_1.c，允许释放以及分配的内存，但是不会合并相邻的空块，这意味着会造成内存碎片。

堆内存的大小通过confifTOTAL_HEAP_SIZE设置，使用configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP设置这个堆在RAM中的地址。

在开发过程中，可以使用xPortGetFreeHeapSize()API函数返回空闲的数组内存大小，开发者可以根据这个返回值确定系统实际所需堆内存大小，从而优化configTOTAL_HEAP_SIZE的大小。但是不会提供堆内存中的碎片信息。

特点：

可以使用在那些需要删除任务、队列等的系统，但是，会产生内存碎片
不应该使用在需要随机分配和释放内存的应用中。经常随机分配和释放内存会导致内存中的碎片逐渐变多，即使空闲内存足够多，但是因为内存碎片，可能仍然会导致内存分配失败
会导致内存碎片，而且碎片分布无法预测
不精确，但是比标准C库中的库函数高效

因此，heap_2.c适合用在那些每次分配和释放内存大小都是固定的应用中。

heap_3.c

malloc()和free()的线程安全版本,大多数情况下，需要编译器支持。

特点：

需要链接器设置堆，以及由编译器库文件提供malloc()和free()的实现
不精确
会增加代码空间占用

注意：configTOTAL_HEAP_SIZE设置在使用heap_3.c时无效。

heap_4.c

相比heap_2.c，实现了碎片整理的功能，会合并相邻的空块。

堆内存的大小通过confifTOTAL_HEAP_SIZE设置，使用configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP设置这个堆在RAM中的地址。

特点：

可以使用在经常删除任务、队列等的应用中
即使分配和释放的内存大小都是随机的，也不会造成很多内存碎片
不精确，但是比标准C库函数高效

heap_4.c在那些需要在应用中直接使用适配层的内存分配机制，而不是调用API函数的应用中尤其有用。

heap_5.c

在heap_4.c的基础上，增加对堆内存跨越多个RAM段的支持。

heap_5 使用vPortDefineHeapRegions()完成初始化，在初始化完成之前，堆内存不可用。在创建RTOS对象(队列、信号量等)时，会隐式的调用pvPortMalloc()。因此，初始化对于使用heap_5是很重要的。

vPortDefineHeapRegions接收一个参数，这个参数是个heapRegion_t类型的结构体数组，heapRegion_t定义在portable.h文件中：

typedef struct HeapRegion
{
    /* 作为堆内存的一部分的RAM的开始地址.*/
    uint8_t *pucStartAddress;
    /* RAM大小. */
    size_t xSizeInBytes;
} HeapRegion_t;

堆内存使用一个零大小的空区域作为结束，并且内存范围的定义必须是按照从低地址到高地址的方式安排。下面的例子展示了这个机制：

/* 堆内存由两块RAM组成，第三部分为结束标志 */
const HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{
    { ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 },
    { ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 },
    { NULL, 0 } /* 数组结束. */
};
/* 传递结构体数组到初始化函数. */
vPortDefineHeapRegions( xHeapRegions );

同样，可以使用xPortGetFreeHeapSize()获取可用堆内存大小，并据此优化堆内存大小。