【学习FreeRTOS】第20章——FreeRTOS内存管理

1.FreeRTOS内存管理简介

在使用 FreeRTOS 创建任务、队列、信号量等对象的时，一般都提供了两种方法：

• 动态方法创建：自动地从FreeRTOS管理的内存堆中申请创建对象所需的内存，并且在对象删除后，可将这块内存释放回FreeRTOS管理的内存堆
• 静态方法创建：需用户提供各种内存空间，并且使用静态方式占用的内存空间一般固定下来了，即使任务、队列等被删除后，这些被占用的内存空间一般没有其他用途
• 总结：动态方式管理内存相比与静态方式，更加灵活。

除了FreeRTOS提供的动态内存管理方法，标准的C库也提供了函数malloc()和函数free()来实现动态地申请和释放内存。为什么不用标准的C库自带的内存管理算法——因为标准C库的动态内存管理方法有如下几个缺点：

• 占用大量的代码空间不适合用在资源紧缺的嵌入式系统中
• 没有线程安全的相关机制
• 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

因此，FreeRTOS提供了多种动态内存管理的算法，可针对不同的嵌入式系统。

2.FreeRTOS内存管理算法

FreeRTOS提供了5种动态内存管理算法，分别为： heap_1、heap_2、heap_3、heap_4、heap_5 。在我们FreeRTOS例程中，使用的均为heap_4内存管理算法

算法	优点	缺点	应用场合
heap_1	分配简单，时间确定	只允许申请内存，不允许释放内存	工程创建的任务等不需要删除
heap_2	最适应算法，允许申请和释放内存	不能合并相邻的空闲内存块会产生碎片、时间不定	频繁创建/删除，且创建的任务堆栈相同
heap_3	直接调用C库函数malloc()和 free() ，简单	速度慢、时间不定
heap_4	首次适应算法，允许申请释放，相邻空闲内存合并减少内存碎片的产生	时间不定	频繁分配/释放不同大小的内存
heap_5	能够管理多个非连续内存区域的 heap_4	时间不定	内存地址不连续的场景

2.1.heap_1内存管理算法

heap_1只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree。也就是说，它只能申请内存，无法释放内存。如果你的工程，创建好的任务、队列、信号量等都不需要被删除，那么可以使用heap_1内存管理算法heap_1的实现最为简单，管理的内存堆是一个数组，在申请内存的时候，heap_1内存管理算法只是简单地从数组中分出合适大小的内存，内存堆数组的定义如下所示：

/* 定义一个大数组作为 FreeRTOS 管理的内存堆 */
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

2.2.heap_2内存管理算法

• 相比于heap_1内存管理算法， heap_2内存管理算法使用最适应算法，并且支持释放内存
• heap_2内存管理算法并不能将相邻的空闲内存块合并成一个大的空闲内存块，不可避免地会产生内存碎片

最适应算法假设heap有3块空闲内存（按内存块大小由小到大排序)︰5字节、25字节、50字节，现在新创建一个任务需要申请20字节的内存：

1. 找出最小的、能满足pvPortMalloc的内存：25字节
2. 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
   

2.3.heap_4内存管理算法

heap_4内存管理算法使用了首次适应算法，也支持内存的申请与释放，并且能够将空闲且相邻的内存进行合并，从而减少内存碎片的现象。

首次适应算法： 假设heap有3块空闲内存(按内存块地址由低到高排序)︰5字节、50字节、25字节，现在新创建一个任务需要申请20字节的内存

1. 找出第一个能满足pvPortMalloc的内存:50字节
2. 把它划分为20字节、30字节;返回这20字节的地址，剩下30字节仍然是空闲状态，留给后续的pvPortMalloc使用

2.4.heap_5内存管理算法

heap_5内存管理算法是在 heap_4内存管理算法的基础上实现的，但是heap_5内存管理算法在heap_4内存管理算法的基础上实现了管理多个非连续内存区域的能力，heap_5内存管理算法默认并没有定义内存堆，需要用户手动指定内存区域的信息，对其进行初始化。
适用场景：在嵌入式系统中，那些内存的地址并不连续的场景。

怎么指定一块内存?——使用如下结构体：

typedef struct HeapRegion{
	uint8_t * 	pucStartAddress; 	/* 内存区域的起始地址 */
	size_t 		xSizeInBytes; 		/* 内存区域的大小，单位：字节 */
}HeapRegion_t; 

怎么指定多块不连续内存？

Const  HeapRegion_t  xHeapRegions[] ={
	{ (uint8_t *)0x80000000, 0x10000 }, 	/* 内存区域 1 */	
	{ (uint8_t *)0x90000000, 0xA0000 }, 	/* 内存区域 2 */
	{ NULL, 0 } 							/* 数组终止标志 */
};
vPortDefineHeapRegions(xHeapRegions); 

3.FreeRTOS内存管理相关API函数介绍

• 申请内存——void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )
  xWantedSize:申请的内存大小，以字节为单位;
  返回值:返回一个指针，指向已分配大小的内存。如果申请内存失败，则返回NULL。
• 释放内存——void vPortFree( void *pv )
  *pv:指针指向一个要释放内存的内存块;
• 获取当前空闲内存的大小——size_t xPortGetFreeHeapSize( void );
  返回值:返回当前剩余的空闲内存大小.

在一段内存没有被释放之前绝对不能再调用一次函数pvPortMalloc()为其再次分配内存，否则会导致内存泄露

4.API函数分析

4.1.相关变量介绍

• 定义一个大数组作为 FreeRTOS 管理的内存堆

/* 定义一个大数组作为 FreeRTOS 管理的内存堆 */
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];//一般是10K

• 内存块结构体介绍

typedef struct A_BLOCK_LINK 
{ 
	struct A_BLOCK_LINK* 	pxNextFreeBlock;	/* 指向下一个内存块 */
	size_t 					xBlockSize; 		/* 最高位表示内存块是否已经被分配 * 其余位表示内存块的大小 */ 
} BlockLink_t;

4.2.初始化内存堆：prvHeapInit()

4.3.空闲内存链表的插入：prvInsertBlockIntoFreeList( )

4.4.内存申请：pvPortMalloc( )

4.5.内存释放：vPortFree( )

5.FreeRTOS内存管理实验

• 实验目的:学习使用FreeRTOS内存管理，并观察内存在申请和释放过程中内存大小的变化情况。
• 实验设计:将设计两个任务: start_task、task1两个任务的功能如下:
  start_task用来创建task1任务
  task1用于按键扫描，当KEYO按下则申请内存，当KEY1按下则释放内存，并打印剩余内存信息