目录

1. FreeRTOS 的核心功能

2. 为什么 FreeRTOS 要自己实现内存管理

3. FreeRTOS 的5种内存管理策略

3.1 Heap_1（只建不删）

3.2 Heap_2（Heap1_Pro、提供删除，产生碎片）

内存碎片是怎么出现的

3.3 Heap_3（传统malloc - free）

3.4 Heap_4（Heap2_Pro，解决碎片）

3.5 Heap_5（Heap4_Pro，可管理分隔内存）

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1. FreeRTOS 的核心功能

2. 为什么 FreeRTOS 要自己实现内存管理

        后续的章节涉及这些内核对象： 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。

        内存的动态管理是 C 程序的知识范畴，并不属于 FreeRTOS 的知识范畴，但是它跟
FreeRTOS 关系是如此紧密，所以我们先讲解它。

        在 C 语言的库函数中，有 mallc、 free 等函数，但是在 FreeRTOS 中，它们不适用：

• 不适合用在资源紧缺的嵌入式系统中
• 这些函数的实现过于复杂、占据的代码空间太大(还是因为资源紧缺)
• 并非线程安全的(thread-safe)
• 运行有不确定性：每次调用这些函数时花费的时间可能都不相同
• 内存碎片化(浪费内存)
• 使用不同的编译器时，需要进行复杂的配置

注意：我们经常"堆栈"混合着说，其实它们不是同一个东西：

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

3. FreeRTOS 的5种内存管理策略

3.1 Heap_1（只建不删）

适用场景：创建的任务、队列、信号量等不需要删除。

        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（Good）
• 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：

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

3.2 Heap_2（Heap1_Pro、提供删除，产生碎片）

适用场景：频繁的创建和删除任务，且所创建的任务堆栈都相同，此时不会出现碎片化的问题。

        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

最佳匹配算法：

• 假设 heap 有 3 块空闲内存： 5 字节、 25 字节、 100 字节
• pvPortMalloc 想申请 20 字节
• 找出最小的、能满足 pvPortMalloc 的内存： 25 字节
• 把它划分为 20 字节、 5 字节
• 返回这 20 字节的地址
• 剩下的 5 字节仍然是空闲状态，留给后续的 pvPortMalloc 使用

        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

内存碎片是怎么出现的

3.3 Heap_3（传统malloc - free）

        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。直接用C库的 malloc - free

        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。(用 malloc 和 free 的效率不高)，因为heap1和2是在数组中分配内存操作，数组操作比较快和效率高。

        缺点：malloc-free存在碎片问题，一样也存在分配失败的风险。

3.4 Heap_4（Heap2_Pro，解决碎片）

        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。（heap2的升级版）

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，可以减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_4 执行的时间是不确定的，但是它的效率高于标准库的 malloc、 free。

3.5 Heap_5（Heap4_Pro，可管理分隔内存）

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。

既然内存时分隔开的，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：

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。

vPortDefineHeapRegions 函数原型如下：

把 xHeapRegions 数组传给 vPortDefineHeapRegions 函数，即可初始化 Heap_5。