FreeRTOS系列第8篇---FreeRTOS內(nèi)存管理

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ID：技術(shù)讓夢想更偉大

作者:李肖遙

FreeRTOS提供了幾個(gè)內(nèi)存堆管理方案，有復(fù)雜的也有簡單的。其中最簡單的管理策略也能滿足很多應(yīng)用的要求，比如對(duì)安全要求高的應(yīng)用，這些應(yīng)用根本不允許動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的。

FreeRTOS也允許你自己實(shí)現(xiàn)內(nèi)存堆管理，甚至允許你同時(shí)使用兩種內(nèi)存堆管理方案。同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種內(nèi)存堆允許任務(wù)堆棧和其它RTOS對(duì)象放置到快速的內(nèi)部RAM，應(yīng)用數(shù)據(jù)放置到低速的外部RAM。

每當(dāng)創(chuàng)建任務(wù)、隊(duì)列、互斥量、軟件定時(shí)器、信號(hào)量或事件組時(shí)，RTOS內(nèi)核會(huì)為它們分配RAM。標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫中的malloc()和free()函數(shù)有些時(shí)候能夠用于完成這個(gè)任務(wù)，但是：

• 在嵌入式系統(tǒng)中，它們并不總是可以使用的；
• 它們會(huì)占用更多寶貴的代碼空間；
• 它們沒有線程保護(hù)；
• 它們不具有確定性（每次調(diào)用執(zhí)行的時(shí)間可能會(huì)不同）；因此，提供一個(gè)替代的內(nèi)存分配方案通常是必要的。

嵌入式/實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有千差萬別的RAM和時(shí)間要求，因此一個(gè)RAM內(nèi)存分配算法可能僅屬于一個(gè)應(yīng)用的子集。

為了避免這個(gè)問題，F(xiàn)reeRTOS在移植層保留內(nèi)存分配API函數(shù)。移植層在RTOS核心代碼源文件之外（不屬于核心源代碼），這使得不同的應(yīng)用程序可以提供適合自己的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。當(dāng)RTOS內(nèi)核需要RAM時(shí)，調(diào)用pvPortMallo()函數(shù)來代替malloc()函數(shù)。當(dāng)RAM要被釋放時(shí)，調(diào)用vPortFree()函數(shù)來代替free()函數(shù)。

FreeRTOS下載包中提供5種簡單的內(nèi)存分配實(shí)現(xiàn)，本文稍后會(huì)進(jìn)行描述。用戶可以適當(dāng)?shù)倪x擇其中的一個(gè)，也可以自己設(shè)計(jì)內(nèi)存分配策略。

FreeRTOS提供的內(nèi)存分配方案分別位于不同的源文件（heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c）之中，源文件位于下載包\FreeRTOS\Source\portable\MemMang文件夾中。其它實(shí)現(xiàn)方法可以根據(jù)需要增加。如果要使用FreeRTOS提供的內(nèi)存堆分配方案，選中的源文件必須被正確的包含到工程文件中。

1.heap_1.c

這是所有實(shí)現(xiàn)中最簡單的一個(gè)。一旦分配內(nèi)存之后，它甚至不允許釋放分配的內(nèi)存。盡管這樣，heap_1.c還是適用于大部分嵌入式應(yīng)用程序。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)深度嵌入式（deeplyembedded）應(yīng)用只是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建所有任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量等，并且直到程序結(jié)束都會(huì)一直使用它們，永遠(yuǎn)不需要?jiǎng)h除。

當(dāng)需要分配RAM時(shí)，這個(gè)內(nèi)存分配方案只是簡單的將一個(gè)大數(shù)組細(xì)分出一個(gè)子集來。大數(shù)組的容量大小通過FreeRTOSConfig.h文件中的configTOTAL_HEAP_SIZE宏來設(shè)置。

API函數(shù)xPortGetFreeHeapSize()返回未分配的堆棧空間總大小，可以通過這個(gè)函數(shù)返回值對(duì)configTOTAL_HEAP_SIZE進(jìn)行合理的設(shè)置。

「heap_1功能簡介」：

• 用于從不會(huì)刪除任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量、互斥量等的應(yīng)用程序（實(shí)際上大多數(shù)使用FreeRTOS的應(yīng)用程序都符合這個(gè)條件）
• 執(zhí)行時(shí)間是確定的并且不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片
• 實(shí)現(xiàn)和分配過程非常簡單，需要的內(nèi)存是從一個(gè)靜態(tài)數(shù)組中分配的，意味著這種內(nèi)存分配通常只是適用于那些不進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的應(yīng)用。

2.heap_2.c

和方案1不同，這個(gè)方案使用一個(gè)最佳匹配算法，它允許釋放之前分配的內(nèi)存塊。它不會(huì)把相鄰的空閑塊合成一個(gè)更大的塊（換句話說，這會(huì)造成內(nèi)存碎片）。

有效的堆棧空間大小由位于FreeRTOSConfig.h文件中的configTOTAL_HEAP_SIZE宏來定義。

API函數(shù)xPortGetFreeHeapSize()返回剩下的未分配堆棧空間的大小（可用于優(yōu)化設(shè)置configTOTAL_HEAP_SIZE宏的值），但是不能提供未分配內(nèi)存的碎片細(xì)節(jié)信息。

「heap_2功能簡介」：

• 可以用于重復(fù)的分配和刪除具有相同堆棧空間的任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量、互斥量等等，并且不考慮內(nèi)存碎片的應(yīng)用程序。
• 不能用在分配和釋放隨機(jī)字節(jié)堆棧空間的應(yīng)用程序

1. 如果一個(gè)應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建和刪除任務(wù)，并且分配給任務(wù)的堆棧空間總是同樣大小，那么大多數(shù)情況下heap_2.c是可以使用的。但是，如果分配給任務(wù)的堆棧不總是相等，那么釋放的有效內(nèi)存可能碎片化，形成很多小的內(nèi)存塊。最后會(huì)因?yàn)闆]有足夠大的連續(xù)堆棧空間而造成內(nèi)存分配失敗。在這種情況下，heap_4.c是一個(gè)很好的選擇。
2. 如果一個(gè)應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建和刪除隊(duì)列，并且在每種情況下隊(duì)列存儲(chǔ)區(qū)域（隊(duì)列存儲(chǔ)區(qū)域指隊(duì)列項(xiàng)數(shù)目乘以每個(gè)隊(duì)列長度）都是同樣的，那么大多數(shù)情況下heap_2.c可以使用。但是，如果隊(duì)列存儲(chǔ)區(qū)在每種情況下并不總是相等，那么釋放的有效內(nèi)存可能碎片化，形成很多小的內(nèi)存塊。最后會(huì)因?yàn)闆]有足夠大的連續(xù)堆棧空間而造成內(nèi)存分配失敗。在這種情況下，heap_4.c是一個(gè)很好的選擇。
3. 應(yīng)用程序直接調(diào)用pvPortMalloc() 和 vPortFree()函數(shù)，而不僅是通過FreeRTOS API間接調(diào)用。

• 如果你的應(yīng)用程序中的隊(duì)列、任務(wù)、信號(hào)量、互斥量等等處在一個(gè)不可預(yù)料的順序，則可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片問題，雖然這是小概率事件，但必須牢記。
• 不具有確定性，但是它比標(biāo)準(zhǔn)庫中的malloc函數(shù)具有高得多的效率。

heap_2.c適用于需要?jiǎng)討B(tài)創(chuàng)建任務(wù)的大多數(shù)小型實(shí)時(shí)系統(tǒng)（smallreal time）。

3.heap_3.c

heap_3.c簡單的包裝了標(biāo)準(zhǔn)庫中的malloc()和free()函數(shù)，包裝后的malloc()和free()函數(shù)具備線程保護(hù)。

「heap_3.c功能簡介」：

• 需要鏈接器設(shè)置一個(gè)堆棧，并且編譯器庫提供malloc()和free()函數(shù)。
• 不具有確定性
• 可能明顯的增大RTOS內(nèi)核的代碼大小「注」：使用heap_3時(shí)，F(xiàn)reeRTOSConfig.h文件中的configTOTAL_HEAP_SIZE宏定義沒有作用。

4.heap_4.c

這個(gè)方案使用一個(gè)最佳匹配算法，但不像方案2那樣。它會(huì)將相鄰的空閑內(nèi)存塊合并成一個(gè)更大的塊（包含一個(gè)合并算法）。

有效的堆棧空間大小由位于FreeRTOSConfig.h文件中的configTOTAL_HEAP_SIZE來定義。

API函數(shù)xPortGetFreeHeapSize()返回剩下的未分配堆棧空間的大小（可用于優(yōu)化設(shè)置configTOTAL_HEAP_SIZE宏的值），但是不能提供未分配內(nèi)存的碎片細(xì)節(jié)信息。

「heap_4.c功能簡介」：

• 可用于重復(fù)分配、刪除任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量、互斥量等等的應(yīng)用程序。
• 可以用于分配和釋放隨機(jī)字節(jié)內(nèi)存的情況，并不像heap_2.c那樣產(chǎn)生嚴(yán)重碎片。
• 不具有確定性，但是它比標(biāo)準(zhǔn)庫中的malloc函數(shù)具有高得多的效率。

heap_4.c還特別適用于移植層代碼，可以直接使用pvPortMalloc()和 vPortFree()函數(shù)來分配和釋放內(nèi)存。

5.heap_5.c（V8.1.0新增）

這個(gè)方案同樣實(shí)現(xiàn)了heap_4.c中的合并算法，并且允許堆棧跨越多個(gè)非連續(xù)的內(nèi)存區(qū)。

Heap_5通過調(diào)用vPortDefineHeapRegions()函數(shù)實(shí)現(xiàn)初始化，在該函數(shù)執(zhí)行完成前不允許使用內(nèi)存分配和釋放。創(chuàng)建RTOS對(duì)象（任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量等等）會(huì)隱含的調(diào)用pvPortMalloc()，因此必須注意：使用heap_5創(chuàng)建任何對(duì)象前，要先執(zhí)行vPortDefineHeapRegions()函數(shù)。

vPortDefineHeapRegions()函數(shù)只需要單個(gè)參數(shù)。該參數(shù)是一個(gè)HeapRegion_t結(jié)構(gòu)體類型數(shù)組。HeapRegion_t在portable.h中定義，如下所示：

typedef?struct?HeapRegion??
{??
????/*?用于內(nèi)存堆的內(nèi)存塊起始地址*/??
????uint8_t?*pucStartAddress;??

????/*?內(nèi)存塊大小?*/??
????size_t?xSizeInBytes;??
}?HeapRegion_t;

這個(gè)數(shù)組必須使用一個(gè)NULL指針和0字節(jié)元素作為結(jié)束，起始地址必須從小到大排列。下面的代碼段提供一個(gè)例子。MSVCWin32模擬器演示例程使用了heap_5，因此可以當(dāng)做一個(gè)參考例程。

/*?在內(nèi)存中為內(nèi)存堆分配兩個(gè)內(nèi)存塊.第一個(gè)內(nèi)存塊0x10000字節(jié),起始地址為0x80000000,?第二個(gè)內(nèi)存塊0xa0000字節(jié),起始地址為0x90000000.起始地址為0x80000000的內(nèi)存塊的?起始地址更低,因此放到了數(shù)組的第一個(gè)位置.*/??
const?HeapRegion_t?xHeapRegions[]?=??
{??
???{?(?uint8_t?*?)?0x80000000UL,?0x10000?},??
???{?(?uint8_t?*?)?0x90000000UL,?0xa0000?},??
???{?NULL,?0?}?/*?數(shù)組結(jié)尾.?*/??
};??

/*?向函數(shù)vPortDefineHeapRegions()傳遞數(shù)組參數(shù).?*/??
vPortDefineHeapRegions(?xHeapRegions?);?

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