FreeRTOS：内存管理

        在FreeRTOS中有两种内存使用方法：一种是使用静态方法创建任务的栈空间、任务控制块等，该方法也就是在我们编程时候直接定义/申请一个数组或结构体内存空间；另一种是使用动态方法创建，该方法是在代码运行时候才申请数组或结构体内存空间（不同的内存管理方法，内存空间申请方法也不一样）。
        这两种方式我们分别称之为：静态内存管理、动态内存管理；静态内存方式从V9.0.0版本才开始引入，两种方案各有利弊，对于大多数普通用户来说，两者没有太多区别。
        由于静态内存方案不需要管理，所以我们常说的FreeRTOS内存管理基本都是指动态内存管理。

	优点	缺点
静态内存管理	安全、简单性、确定性；不需要关心内存分配问题	如果非要说他有缺点，应该是：需要手动去分配每个对象的内存空间。
动态内存管理	可实现OS内存统一管理	每种方案都有不可消除的问题，如：要么存在安全问题、要么存在碎片问题、要么需要管理

FreeRTOS目前有五种内存分配方案：
 
heap_1方案

        该方案只有pvPortMalloc()方法，没有vPortFree()方法，所以该方案仅用于应用程序中不需要删除对象的操作，即任务、队列、信号量等对象一旦创建不再销毁的情况才可以使用该方案。
该方案原理如下图所示：
 
        A：在设计时申请一个大小为configTOTAL_HEAP_SIZE数组；
        B：在创建一个对象时，该对象的内存空间来自该数组；如创建一个任务的任务控制块和任务的栈空间；
        C：后续每创建一个对象都是在该数组中获取空间；
        由此可以看出该方案的优点：内存分配总是确定的，不会导致内存碎片；但问题也比较明显：并非真正的动态内存分配；该方案与静态方案近乎相同，但比静态方案多了管理操作，且如果configTOTAL_HEAP_SIZE设置不够，在运行时候就会发生内存申请失败。

 heap_2方案

        该方案有一个最佳匹配算法：如果当前有三个空闲内存块：5byte、25byte、100byte，现在要申请20byte空间，该算法会自动将最合适的25byte空间分成20byte和5byte两个空间，并返回20byte空间的指针。        

        该方案缺点比较明显：会产生碎片，但比大多数标准库malloc-free效率高一点；该方案有一个较常用的场景：重复创建与删除具有相同空间大小，如下图所示：
 
        A：创建了三个任务的TCB和stack；
        B：释放了第二个任务的TCB、stack空间；
        C：重新创建一个任务的TCB、stack空间，且与之前释放的空间大小相同。
        该方案与heap_1都需要在编译前确定一个configTOTAL_HEAP_SIZE大小的数组，一样需要管理该数组，与heap_1不同的是该方案支持堆释放操作：vPortFree()。

heap_3方案

        该方案不需要管理一个configTOTAL_HEAP_SIZE大小的数组，而是调用了标准库中的malloc-free来实现的，使用的是芯片启动代码中设置的堆空间大小，并通过挂起调度器方式保证线程安全性。
        该方案的缺点就是malloc-free存在碎片问题，一样也存在分配失败的风险。

heap_4方案

        该方案集成了最佳匹配算法、碎片回收，也是管理一个configTOTAL_HEAP_SIZE大小的数组；可随机调用pvPortMalloc()和vPortFree()来申请-释放任意大小空间，且不会产生内存碎片。
        该方案同样需要面对安全问题：需要管理configTOTAL_HEAP_SIZE的大小，否则就会有内存申请失败发生；申请内存时间存在不确定性。

heap_5方案

        如果申请的内存空间都在一个连续的空间内heap_4就够用了，但如果存在部分空间申请在内部RAM、部分在外部RAM，这时候就需要使用heap_5方案了，heap_5是在heap_4基础上实现的。该方案实现的基础是要管理一个结构体数组：

typedef struct HeapRegion
{
	uint8_t *pucStartAddress;
	size_t xSizeInBytes;
} HeapRegion_t;

 HeapRegion_t xHeapRegions[] =
 {
 	{ ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 }, << Defines a block of 0x10000 bytes starting at address 0x80000000
 	{ ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 }, << Defines a block of 0xa0000 bytes starting at address of 0x90000000
 	{ NULL, 0 }                << Terminates the array.
 };

并通过调用下面接口来实现堆初始化：

void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions ) PRIVILEGED_FUNCTION;

其中xHeapRegions数组中内存大小要从小地址到大地址，最后一个地址必须是NULL。

各方案对比

 

	特点	缺点
heap_1	简单、不支持内存释放	需要管理内存空间
heap_2	支持内存释放，不支持碎片管理	需要管理内存空间、碎片问题
heap_3	malloc-free操作简单	碎片问题
heap_4	支持碎片管理	需要管理内存空间
heap_5	支持多个不连续内存空间，碎片管理	需要管理内存空间