FreeRTOS的内存管理方法（超详细）

内存管理

我们知道每次创建任务、队列、互斥锁、软件定时器、信号量或事件组时，RTOS 内核都需要 RAM ， RAM 可以从 RTOS API 对象创建函数内的 RTOS 堆自动动态分配，或者由应用程序编写者提供。

如果 RTOS 对象是动态创建的，那么标准 C 库 malloc() 和 free() 函数有时可用于此目的，但是...它们在嵌入式系统上并不总是可用，占用了宝贵的代码空间，不是线程安全的，而且不是确定性的（执行函数所需时间将因调用而异），所以更多的时候需要的不是一个替代的内存分配实现。

一个嵌入式/实时系统的 RAM 和定时要求可能与另一个非常不同，所以单一的 RAM 分配算法将永远只适用于一个应用程序子集。

为了避免此问题，FreeRTOS 将内存分配 API 保留在其可移植层。可移植层在实现核心 RTOS 功能的源文件之外，允许提供适合于正在开发的实时系统的特定应用程序实现。当 RTOS 内核需要 RAM 时，它不调用 malloc()，而是调用 pvPortMalloc()。释放 RAM 时， RTOS 内核调用 vPortFree()，而不是 free()。

FreeRTOS 提供了几种堆管理方案，其复杂性和功能各不相同。你也可以提供自己的堆实现，甚至同时使用两个堆实现。同时使用两个堆实现允许将任务堆栈和其他 RTOS 对象放置在内部 RAM 中，并将应用程序数据放置在较慢的外部 RAM 中。

5种管理方法

源码中默认提供了5个文件，对应内存管理的5种方法。每个提供的实现都包含在单独的源文件中 (分别是 heap_1.c、 heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c 和 heap_5.c)，位于主 RTOS 源代码下载内容的 Source/Portable/MemMang 目录下。可根据需要添加其他实现方式。每次一个项目中，只应包含其中一个源文件[这些可移植层函数定义的堆将由 RTOS 内核使用，即使使用 RTOS 的应用程序选择使用自己的堆实现]。

heap_1 —— 最简单，不允许释放内存。

heap_2—— 允许释放内存，但不会合并相邻的空闲块。

heap_3 —— 简单包装了标准 malloc() 和 free()，以保证线程安全。

heap_4 —— 合并相邻的空闲块以避免碎片化。包含绝对地址放置选项。

heap_5 —— 如同 heap_4，能够跨越多个不相邻内存区域的堆。

注意：

heap_1 不太有用，因为 FreeRTOS 添加了静态分配支持。

heap_2 现在被视为旧版，因为较新的 heap_4 实现是首选。

heap_1.c

heap_1 不太有用，因为 FreeRTOS 添加了静态分配支持。heap_1 是最简单的实现方式。内存一经分配，它不允许内存再被释放。尽管如此，heap_1.c 还是适用于大量嵌入式应用程序。这是因为许多小型和深度嵌入的应用程序在系统启动时创建了所需的所有任务、队列、信号量等，并在程序的生命周期内使用所有这些对象（直到应用程序再次关闭或重新启动）。任何内容都不会被删除。

这个实现只是在要求使用 RAM 时将一个单一的数组细分为更小的块。数组的总大小（堆的总大小）通过 configTOTAL_HEAP_SIZE （定义于 FreeRTOSConfig.h 中）设置。提供了 configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP FreeRTOSConfig.h 配置常量，以允许将堆放置在内存中的特定地址。

xPortGetFreeHeapSize() API 函数返回未分配的堆空间总量，允许优化 configTOTAL_HEAP_SIZE 设置。

heap_1 实现

如果您的应用程序从未删除任务、队列、信号量、互斥锁等，则可以使用。（这实际上涵盖了使用 FreeRTOS 的大多数应用程序）。

始终具有确定性（总是需要相同的时间来执行），不会导致内存碎片化。非常简单，且从静态分配的数组分配内存，这意味着它通常适合用于不允许真实动态内存分配的应用程序。

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

heap_2.c

heap_2 现在被视为旧版，首选 heap_4 。heap_2 使用最佳适应算法，并且与方案 1 不同，它允许释放先前分配的块，它不将相邻的空闲块组合成一个大块。有关不合并空闲块的实现，请参阅 heap_4.c。

可用堆空间的总量通过 configTOTA L_HEAP_SIZE（定义于 FreeRTOSConfig.h 中）设置。提供了 configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP FreeRTOSConfig.h 配置常量，以允许将堆放置在内存中的特定地址。xPortGetFreeHeapSize() API 函数返回未分配的堆空间总量，（允许优化 configTOTAL_HEAP_SIZE 设置），但不提供关于未分配的内存如何被碎片化成小块的信息。

pvPortCalloc() 函数的签名与标准库 calloc 函数相同。它为一个对象数组分配内存，并将分配的存储空间中的所有字节初始化为零。如果分配成功，它会返回指向分配的内存块中最低字节的指针。如果分配失败，它会返回一个空指针。

heap_2实现

即使应用程序重复删除任务、队列、信号量、互斥锁等，仍然可用，但要注意以下关于内存碎片化的信息。如果正在分配和释放的内存为随机大小，则不可使用。

例如：

如果应用程序动态地创建和删除任务，且分配给正在创建任务的堆栈大小总是相同的，那么 heap2.c 可以在大多数情况下使用。但是，如果分配给正在创建任务的堆栈的大小不是总相同，那么可用的空闲内存可能会被碎片化成许多小块，最终导致分配失败。在这种情况下，heap_4.c 是更好的选择。

如果应用程序动态地创建和删除任务，且队列存储区域在每种情况下都是相同的（队列存储区域是队列项大小乘以队列长度），那么 heap_2.c 可以在大多数情况下使用。但是，如果在每种情况下的队列存储区域不相同，那么可用的空闲内存可能会被碎片化成许多小块，最终导致分配失败。在这种情况下，heap_4.c 是更好的选择。

应用程序直接调用 pvPortMalloc() 和 vPortFree()，而不是仅通过其他 FreeRTOS API 函数间接调用。

如果您应用程序的队列、任务、信号量、互斥锁等的顺序不可预测，可能会导致内存碎片化。这对几乎所有的应用程序来说都是不可能的，但应牢记这一点。非确定性，但比大多数标准 C 库 malloc 实现更有效。

heap_2.c 适用于许多必须动态创建对象的小型实时系统。请参阅 heap_4 了解类似实现，该实现将空闲的内存块组合成单一的大内存块。

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

heap_3.c

这是标准 C 库 malloc() 和 free() 函数实现了简单的包装器，在大多数情况下，将与您选择的编译器一起提供。该包装器只是使 malloc() 和 free() 函数线程安全。

heap_3实现

需要链接器设置堆，需要编译器库提供 malloc() 和 free() 实现。不具有确定性，能会大大增加 RTOS 内核代码大小。

请注意，使用 heap_3 时，FreeRTOSConfig.h 中的 configTOTAL_HEAP_SIZE 设置无效。

heap_4.c

此方案使用第一适应算法，并且与方案 2 不同，它确实将相邻的空闲内存块组成单个大内存块（它确实包含合并算法）。

可用堆空间的总量通过 configTOTAL_HEAP_SIZE （定义于 FreeRTOSConfig.h 中）设置。提供了 configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP FreeRTOSConfig.h 配置常量，以允许将堆放置在内存中的特定地址。

xPortGetFreeHeapSize() API 函数被调用时返回未分配的堆空间总量， xPortGetMinimumEverFreeHeapSize() API 函数返回 FreeRTOS 应用程序启动的系统中已存在的最小空闲堆空间量。这两个函数都没有提供关于未分配的内存如何碎片化为小块的信息。

vPortGetHeapStats() API 函数提供了其他信息。它填充了一个 heap_t 结构体的成员，如下所示。

/* Prototype of the vPortGetHeapStats() function. */
void vPortGetHeapStats( HeapStats_t *xHeapStats );

/* Definition of the Heap_stats_t structure. */

typedef struct xHeapStats
{
       size_t xAvailableHeapSpaceInBytes;      /* The total heap size currently available - this is the sum of all the free blocks, not the largest block that can be allocated. */
       size_t xSizeOfLargestFreeBlockInBytes;     /* The maximum size, in bytes, of all the free blocks within the heap at the time vPortGetHeapStats() is called. */
       size_t xSizeOfSmallestFreeBlockInBytes; /* The minimum size, in bytes, of all the free blocks within the heap at the time vPortGetHeapStats() is called. */
       size_t xNumberOfFreeBlocks;            /* The number of free memory blocks within the heap at the time vPortGetHeapStats() is called. */
       size_t xMinimumEverFreeBytesRemaining; /* The minimum amount of total free memory (sum of all free blocks) there has been in the heap since the system booted. */
       size_t xNumberOfSuccessfulAllocations;   /* The number of calls to pvPortMalloc() that have returned a valid memory block. */
       size_t xNumberOfSuccessfulFrees;     /* The number of calls to vPortFree() that has successfully freed a block of memory. */
} HeapStats_t;

heap_4使用

即使应用程序重复删除任务、队列、信号量、互斥锁等，仍然可用。

与 heap_2 实现相比，导致堆空间严重碎片化成多个小块的可能性更小（即使正在分配和释放的内存是随机大小）。不具有确定性，但比大多数标准 C 库 malloc 实现更有效。

heap_4.c 对于想在应用程序代码中直接使用可移植层内存分配方案的应用程序特别有用（而不是通过调用 API 函数 pvPortMalloc() 和 vPortFree() 来间接使用)。

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。

heap_5.c

此方案使用与 heap_4 相同的第一拟合和内存合并算法，允许堆跨越多个不相邻（非连续）内存区域。Heap_5 通过调用 vPortDefineHeapRegions() 初始化，且不得使用，直到 vPortDefineHeapRegions() 执行以后。创建 RTOS 对象（任务、队列、信号量等）将隐式调用 pvPortMalloc()，因此使用 heap_5 时，在创建任何此类对象之前调用 vPortDefineHeapRegions() 至关重要。

vPortDefineHeapRegions() 采用单一参数，该参数为 HeapRegion_t 结构体数组。 HeapRegion_t 在 portable.h 中定义为

typedef struct HeapRegion
{
    /* Start address of a block of memory that will be part of the heap.*/
    uint8_t *pucStartAddress;

    /* Size of the block of memory. */
    size_t xSizeInBytes;
} HeapRegion_t;

The HeapRegion_t type definition

数组使用空位零大小的区域定义终止，数组中定义的内存区域必须按地址顺序，从低地址到高地址显示。以下源代码片段提供了示例。此外， MSVC Win32 模拟器演示也使用 heap_5 ，因此可作参考。

/* Allocate two blocks of RAM for use by the heap.  The first is a block of
0x10000 bytes starting from address 0x80000000, and the second a block of
0xa0000 bytes starting from address 0x90000000.  The block starting at
0x80000000 has the lower start address so appears in the array fist. */

const HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{
    { ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 },
    { ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 },
    { NULL, 0 } /* Terminates the array. */
};
/* Pass the array into vPortDefineHeapRegions(). */
vPortDefineHeapRegions( xHeapRegions );

Initialising heap_5 after defining the memory blocks to be used by the heap

vPortGetHeapStats() API 函数提供了有关堆状态的其他信息。

Heap相关的函数

pvPortMalloc/vPortFree

函数原型

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize ); // 分配内存，如果分配内存不成功，则返回值为NULL。

void vPortFree( void * pv );  // 释放内存

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。

xPortGetFreeHeapSize

函数原型

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。

xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

函数原型

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。

malloc失败的钩子函数

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

在pvPortMalloc函数内部，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