【FreeRTOS】FreeRTOS之内存管理

FreeRTOS之内存管理

既然标准C库中的Malloc()与Free()也可以实现内存动态管理，为何FreeRTOS还要实现一套内存管理机制？原因如下：

• 在小型的嵌入式系统中效率不高。
• 会占用很多的代码空间。
• 它们不是线程安全的。
• 具有不确定性，每次执行的时间不同。
• 会导致内存碎片。
• 使链接器的配置变得复杂。

目录

0. 【五种heap的特点】

• heap_1: 只申请不释放，适用于一旦创建好任务、信号量、队列就再也不会删除的应用。
• heap_2: 使用内存块相关结构体管理内存，可以释放，但是申请内存不固定的话会产生内存碎片。
• heap_3: 使用标准C库中的Malloc()与Free()。
• heap_4: 在heap_2的基础上增加了内存合并功能，解决了内存碎片的问题。
• heap_5: 在heap_4的基础上，实现了具有多段不同位置内存堆的内存。（待更新···）

1. 【heap_1】

1.1 [heap_1的特性]

• heap_1只有内存申请没有内存释放，适用于一旦创建好任务、信号量、队列就再也不会删除的应用，实际上大多数FreeRTOS应用都是这样的。
• 具有确定性（执行所花费的时间大多数都是一样的），而且不会导致内存碎片。
• 代码实现和内存分配过程都很简单，内存是从一个静态数组中分配的，适用于不需要动态分配内存的应用。

1.2 [heap从哪个地址开始呢？]

• 在heap_1.c中，static uint8_t ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]分配了一个数组给堆，但是这个地址从哪里开始呢？这是由编译器（比如GCC）决定的。
• 这个堆的首地址不一定是以8字节对齐，要想以8字节对齐需要使用gcc的__attribute__机制。

1.3 [__attribute__机制]

具体使用方法点击移步至

1.3.1 [什么是__attribute__？]

__attribute__机制是GCC的一大特色,与编译器相关。此机制可以设置函数属性（Function Attribute）、变量属性（Variable Attribute）和类型属性（Type Attribute）。

1.3.2 [__attribute__语法格式]

    __attribute__ ((attribute-list))

1.3.3 [attribute_-list]

• 数据声明
  • packed：__attribute__ ((packed))的作用是告诉编译器取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐，是GCC特有的语法。
  • aligned：__attribute__ ((aligned(n)))指定内存n字节对齐，n为任意整数。
• 函数声明
  • __attribute__ (((noreturn))告诉编译器此函数不会返回给调用者，以便编译器在优化时去掉不必要的函数返回代码。
  • __attribute__ ((weak))将函数转为虚函数，弱符号，告诉编译器如果有定义同名的函数强符号函数则使用同名函数，否则使用此函数，用在防止某必要函数未被定义的情况。注意：weak属性只会在静态库（.o .a）中生效，动态库（.so）中不会生效。

1.4 [pvPortMalloc()申请内存流程]

• 检查是否字节对齐，FreeRTOS默认8字节对齐。
  • 若对齐直接进行下一步
  • 若不对齐，将字节补齐（可以被8整除），申请的字节大小只能大于传进来的值。
• 根据内存堆ucHeap计算出以8字节对齐的可用起始地址pucAlignedHeap。
• 检查内存够不够分配想要的大小，puAlignedHeap可用地址起始位置，
  xNextFreeByte可用位置减去可用起始位置的偏移量；xWantedSize想要分配的字节大小。xNextFreeByte+xWantedSize则不会溢出，可分配。同时更新xNextFreeByte。
• 返回申请到的内存首地址。

GNU C 的一大特色就是__attribute__

2. 【heap_2】

2.1 [heap_2的特性]

• 适用于可能会重复的删除任务、队列、信号量等的应用中，要注意有内存碎片产生！
• 有内存块结构；与heap_1相比将内存分为内存块用链表链接接起来实现内存的分配和释放，而heap_1就是一整片数组。
• 如果分配和释放的内存n大小是随机的，不匹配的，那么就要慎重使用。此种情况使用heap_4是最好的。
• 具有不确定性，但是也远比标准C中的malloc()与free()效率高！

总结：heap_2基本上适用于大多数的需要动态分配内存的工程中，而heap_4更是具有将内存碎片合并成一个大的空闲内存块（内存碎片回收）的功能。

2.2 [内存块]

• 同heap_1一样，heap_2整个内存堆为ucHeap[]，大小为configTOTAL_HEAP_SIZE。可以通过函数xPortGetFreeHeapSize()来获取剩余的内存大小。
• 为了实现内存释放，heap_2引入了内存块的概念，每分出去一段内存就是一个内存块，剩下的一大段内存也是一个内存块，每次分的内存块大小可以不确定。
• 为了管理内存块还引入了一个链表结构：（这是每个内存块里面都要有的链表结构体，此结构占8个字节）

  •   typedef struct A_BLOCK_LINK
      {
          struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock;
          size_t xBlockSize;  // 此值的最高位表示当前内存块是否被使用，1为使用，0为未使用
      } BlockLink_t;
    

     _________________  ___
    | pxNextFreeBlock |  |
    |-----------------| 8 bytes
    | xBlockSize=24   |  |
    |-----------------| _|_
    |                 |
    |     16 bytes    |
    |_________________|
          <内存块>
    

    

2.3 [内存申请流程]

内存堆的初始化函数

prvHeapInit()：

1. 将内存堆ucHeap的可用起始地址pucAlignedHeap做字节对齐。
2. 初始化结构体xStart和xEnd。此结构体是独立于内存块之外的。
3. 把ucHeap当作一个超大的内存块，并且初始化这个内存块对应的BlockLink_t类型结构体。注意：第二步说到的结构体与内存块中的BlockLink_t不同，它是独立于内存块之外的结构体，这两个组成链表用于管理内存块。

空闲内存块添加函数

prvInsertBlockIntoFreeList():

1. 查找要插入的空闲内存块的插入点（空闲内存块的排列是从小到大排列的）。
2. 将内存块插入到插入点中。

内存分配函数

pvPortMalloc()内部流程：

1. 检查内存堆是否已经初始化，如果内存堆未初始化，则先调用prHeapInit()初始化内存堆。
   • 内存堆的初始化，prvHeapInit()。
2. 检查要申请的内存大小是否大于0。而实际需要申请的大小要包含结构体BlockLink_t的大小，即xWantedSize += heapSTRUCT_SIZE，最终对xWantedSize做字节对齐。
3. 从链表头xStart开始寻找满足要求的可用内存块。
   • 先判断需要申请的内存块大小是否合理，如果想要申请的内存大于0，且小于内存堆的容量，则从xStart第一个内存块开始遍历，找到大小满足的内存块，然后返回申请到的内存块可用首地址（此地址是跳过所选内存块结构体的地址）。
   • 判断申请到的内存块是否过大，即申请到的内存块大小减去所需大小的值超过了阈值heapMINIMUN_BLOCK_SIZE。如果内存块大于所申请的内存大小，则将内存块分割为两块，前面的内存块给应用程序使用，并将后面剩余的内存块通过函数prvInsertBlockIntoFreeList()插入到可用内存块链表中。
   • 更新内存剩余大小xFreeBytesRemaining。

内存释放

vPortFree():

1. 调用函数prvInsertBlockIntoFreeList()将要释放的内存块添加至空闲内存块链表中。
2. 更新变量xFreeBytesRemaining。

3. 【heap_3】

3.1 [heap_3的特性]

使用标准C库进行内存申请。

内存申请

pvPortMalloc():

1. 调用函数vTaskSuspendAll()关闭任务调度器。
2. 调用标准C库里面的malloc()函数来申请内存。
3. 调用函数xTaskResumeAll()恢复任务调度器。

内存释放

vPortFree()：

1. 调用函数vTaskSuspendAll()关闭任务调度器。
2. 调用标准C库里面的free()函数来释放内存。
3. 调用函数xTaskResumeAll()恢复任务调度器。

4. 【heap_4】

4.1 [heap_4的特性]

heap_4比heap_2多了内存碎片整理再分配的特点，其余基本相同。

4.2 [内存申请流程]

内存堆初始化函数

prvHeapInit()：

1. 将内存堆ucHeap的可用起始地址pucAlignedHeap做字节对齐。
2. 初始化结构体xStart。此结构体是独立于内存块之外的。xStart->pxNextFreeBlock指向可用首地址pucAlignedHeap。
3. 初始化pxEnd，这里与heap有些区别：在heap_2中，pxEnd与xStart一样都是一个独立于内存块之外的结构体。但是在heap_4中，结构体指针pxEnd是指向内存块最后的一部分区域，也就是pxEnd在内存块当中。
4. 初始化pxFirstFreeBlock。
5. 初始化xMinimumEverFreeBytesRemaining（内存最小剩余大小）和xFreeBytesRemaining（可用内存块的大小）。
6. 初始化xBlockAllocatedBit记录可用内存标志位。

空闲内存块的插入函数

prvInsertBlockIntoFreeList():

1. 检查要插入的空闲内存块的插入点。
2. 检查要插入链表中的内存块是否可以和链表中前一个内存块合并，如果可以就合并：
   假设pxIterator->xBlockSize=64，那么如果puc + pxIterator->xBlockSize == 此空闲内存块的首地址，则可以合并。
3. 检查要插入的内存块可否与后一个内存块合并，如果可以就合并。过程与第二步类似。

内存申请（内存分配）函数

pvPortMalloc():

1. 判断pvPortMalloc()是否为第一次调用，如果是则调用函数prvHeapInit()初始化内存堆。
2. 判断所需内存大小是否满足要求，内存大小不能超过0x7fff ffff。因为xBlockSize最高位是记录内存块是否被使用的， if (xWangtedSize & xBlockAllocatedBit) == 0。表明当前内存块未使用。
3. 从链表头xStart开始寻找满足要求的可用内存块。与heap_2基本相同，可参考heap_2。
4. 获取返回给应用层代码的可用内存首地址，注意要跳过结构体BlockLink_t。
5. 判断申请到的内存块是否过大，即申请到的内存块大小减去所需大小的值超过了阈值heapMINIMUN_BLOCK_SIZE。如果内存块大于所申请的内存大小，则将内存块分割为两块，前面的内存块给应用程序使用，并将后面剩余的内存块通过函数prvInsertBlockIntoFreeList()插入到可用内存块链表中。
6. 申请到的内存块其结构体中的成员变量xBlockSize | xBlockAllocatedBit (0x8000000)。表示此内存块已经被使用。

内存释放

xPortFree():

1. 判断要释放的内存块是否被使用。if((xBlockSize & xBlockAllocatedBit) != 0)
   • 如果正在使用，将xBlockSize最高位清零，表示将此内存块未分配 xBlockSize &= ~xBlockAllocatedBit。
   • 掉用prvInsertBlockIntoFreeList()将内存块插入空闲内存链表中。

参考资料：
正点原子《FreeRTOS开发手册》
《FreeRTOS Reference Manual》