15、內(nèi)存管理
1、 內(nèi)存管理的基本概念
在計(jì)算系統(tǒng)中，變量、中間數(shù)據(jù)一般存放在系統(tǒng)存儲(chǔ)空間中，只有在實(shí)際使用時(shí)才將它們從存儲(chǔ)空間調(diào)入到中央處理器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算。通常存儲(chǔ)空間可以分為兩種：內(nèi)部存儲(chǔ)空間和外部存儲(chǔ)空間。內(nèi)部存儲(chǔ)空間訪問(wèn)速度比較快，能夠按照變量地址隨機(jī)地訪問(wèn)，也就是我們通常所說(shuō)的 RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器），或電腦的內(nèi)存；而外部存儲(chǔ)空間內(nèi)所保存的內(nèi)容相對(duì)來(lái)說(shuō)比較固定，即使掉電后數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，可以把它理解為電腦的硬盤。
FreeRTOS 操作系統(tǒng)將內(nèi)核與內(nèi)存管理分開實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)內(nèi)核僅規(guī)定了必要的內(nèi)存管理函數(shù)原型，而不關(guān)心這些內(nèi)存管理函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的，所以在 FreeRTOS 中提供了多種內(nèi)存分配算法（分配策略），但是上層接口（ API）卻是統(tǒng)一的。這樣做可以增加系統(tǒng)的靈活性： 用戶可以選擇對(duì)自己更有利的內(nèi)存管理策略，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合使用不同的內(nèi)存分配策略。
在嵌入式程序設(shè)計(jì)中內(nèi)存分配應(yīng)該是根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)決定選擇使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配還是靜態(tài)內(nèi)存分配算法，一些可靠性要求非常高的系統(tǒng)應(yīng)選擇使用靜態(tài)的，而普通的業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以使用動(dòng)態(tài)來(lái)提高內(nèi)存使用效率。靜態(tài)可以保證設(shè)備的可靠性但是需要考慮內(nèi)存上限，內(nèi)存使用效率低，而動(dòng)態(tài)則是相反。
FreeRTOS 內(nèi)存管理模塊管理用于系統(tǒng)中內(nèi)存資源，它是操作系統(tǒng)的核心模塊之一。主要包括內(nèi)存的初始化、分配以及釋放。
很多人會(huì)有疑問(wèn)，什么不直接使用 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的內(nèi)存管理函數(shù)呢？在電腦中我們可以用 malloc()和 free()這兩個(gè)函數(shù)動(dòng)態(tài)的分配內(nèi)存和釋放內(nèi)存。但是，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，調(diào)用 malloc()和 free()卻是危險(xiǎn)的，原因有以下幾點(diǎn)：
- 這些函數(shù)在小型嵌入式系統(tǒng)中并不總是可用的，小型嵌入式設(shè)備中的 RAM 不足。
- 它們的實(shí)現(xiàn)可能非常的大，占據(jù)了相當(dāng)大的一塊代碼空間。
- 他們幾乎都不是安全的。
- 它們并不是確定的，每次調(diào)用這些函數(shù)執(zhí)行的時(shí)間可能都不一樣。
- 它們有可能產(chǎn)生碎片。
- 這兩個(gè)函數(shù)會(huì)使得鏈接器配置得復(fù)雜。
- 如果允許堆空間的生長(zhǎng)方向覆蓋其他變量占據(jù)的內(nèi)存，它們會(huì)成為 debug 的災(zāi)難。
在一般的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，由于實(shí)時(shí)性的要求，很少使用虛擬內(nèi)存機(jī)制。所有的內(nèi)存都需要用戶參與分配，直接操作物理內(nèi)存，所分配的內(nèi)存不能超過(guò)系統(tǒng)的物理內(nèi)存，所有的系統(tǒng)堆棧的管理，都由用戶自己管理。
同時(shí)，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，對(duì)內(nèi)存的分配時(shí)間要求更為苛刻，分配內(nèi)存的時(shí)間必須是確定的。一般內(nèi)存管理算法是根據(jù)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度在內(nèi)存中去尋找一個(gè)與這段數(shù)據(jù)相適應(yīng)的空閑內(nèi)存塊，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在里面。而尋找這樣一個(gè)空閑內(nèi)存塊所耗費(fèi)的時(shí)間是不確定的，因此對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這就是不可接受的，實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須要保證內(nèi)存塊的分配過(guò)程在可預(yù)測(cè)的確定時(shí)間內(nèi)完成，否則實(shí)時(shí)任務(wù)對(duì)外部事件的響應(yīng)也將變得不可確定。
而在嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)存是十分有限而且是十分珍貴的，用一塊內(nèi)存就少了一塊內(nèi)存，而在分配中隨著內(nèi)存不斷被分配和釋放，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)域會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的碎片，因?yàn)樵谑褂眠^(guò)程中，申請(qǐng)了一些內(nèi)存，其中一些釋放了，導(dǎo)致內(nèi)存空間中存在一些小的內(nèi)存塊，它們地址不連續(xù)，不能夠作為一整塊的大內(nèi)存分配出去，所以一定會(huì)在某個(gè)時(shí)間，系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法分配到合適的內(nèi)存了，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。其實(shí)系統(tǒng)中實(shí)際是還有內(nèi)存的，但是因?yàn)樾K的內(nèi)存的地址不連續(xù)，導(dǎo)致無(wú)法分配成功，所以我們需要一個(gè)優(yōu)良的內(nèi)存分配算法來(lái)避免這種情況的出現(xiàn)。
不同的嵌入式系統(tǒng)具有不同的內(nèi)存配置和時(shí)間要求。所以單一的內(nèi)存分配算法只可能適合部分應(yīng)用程序。因此， FreeRTOS 將內(nèi)存分配作為可移植層面（相對(duì)于基本的內(nèi)核代碼部分而言）， FreeRTOS 有針對(duì)性的提供了不同的內(nèi)存分配管理算法，這使得應(yīng)用于不同場(chǎng)景的設(shè)備可以選擇適合自身內(nèi)存算法。
FreeRTOS 對(duì)內(nèi)存管理做了很多事情， FreeRTOS 的 V9.0.0 版本為我們提供了 5 種內(nèi)存管理算法，分別是 heap_1.c、 heap_2.c、 heap_3.c、 heap_4.c、 heap_5.c，源文件存放于FreeRTOS\Source\portable\MemMang 路徑下，在使用的時(shí)候選擇其中一個(gè)添加到我們的工程中去即可。
FreeRTOS 的內(nèi)存管理模塊通過(guò)對(duì)內(nèi)存的申請(qǐng)、釋放操作，來(lái)管理用戶和系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的使用，使內(nèi)存的利用率和使用效率達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)最大限度地解決系統(tǒng)可能產(chǎn)生的內(nèi)存碎片問(wèn)題。
2、 內(nèi)存管理的應(yīng)用場(chǎng)景
首先，在使用內(nèi)存分配前，必須明白自己在做什么，這樣做與其他的方法有什么不同，特別是會(huì)產(chǎn)生哪些負(fù)面影響，在自己的產(chǎn)品面前，應(yīng)當(dāng)選擇哪種分配策略。
內(nèi)存管理的主要工作是動(dòng)態(tài)劃分并管理用戶分配好的內(nèi)存區(qū)間，主要是在用戶需要使用大小不等的內(nèi)存塊的場(chǎng)景中使用， 當(dāng)用戶需要分配內(nèi)存時(shí)，可以通過(guò)操作系統(tǒng)的內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)索取指定大小內(nèi)存塊，一旦使用完畢，通過(guò)動(dòng)態(tài)內(nèi)存釋放函數(shù)歸還所占用內(nèi)存，使之可以重復(fù)使用（heap_1.c 的內(nèi)存管理除外）。
例如我們需要定義一個(gè) float 型數(shù)組： floatArr[];
但是，在使用數(shù)組的時(shí)候，總有一個(gè)問(wèn)題困擾著我們：數(shù)組應(yīng)該有多大？在很多的情況下，你并不能確定要使用多大的數(shù)組，可能為了避免發(fā)生錯(cuò)誤你就需要把數(shù)組定義得足夠大。即使你知道想利用的空間大小，但是如果因?yàn)槟撤N特殊原因空間利用的大小有增加或者減少，你又必須重新去修改程序，擴(kuò)大數(shù)組的存儲(chǔ)范圍。這種分配固定大小的內(nèi)存分配方法稱之為靜態(tài)內(nèi)存分配。這種內(nèi)存分配的方法存在比較嚴(yán)重的缺陷，在大多數(shù)情況下會(huì)浪費(fèi)大量的內(nèi)存空間，在少數(shù)情況下，當(dāng)你定義的數(shù)組不夠大時(shí)，可能引起下標(biāo)越界錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重后果。
我們用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配就可以解決上面的問(wèn)題。所謂動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配就是指在程序執(zhí)行的過(guò)程中動(dòng)態(tài)地分配或者回收存儲(chǔ)空間的分配內(nèi)存的方法。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配不象數(shù)組等靜態(tài)內(nèi)存分配方法那樣需要預(yù)先分配存儲(chǔ)空間，而是由系統(tǒng)根據(jù)程序的需要即時(shí)分配，且分配的大小就是程序要求的大小。
3、 內(nèi)存管理方案詳解
FreeRTOS 規(guī)定了內(nèi)存管理的函數(shù)接口，具體見，但是不管其內(nèi)部的內(nèi)存管理方案是怎么實(shí)現(xiàn)的，所以， FreeRTOS 可以提供多個(gè)內(nèi)存管理方案，下面，就一起看看各個(gè)內(nèi)存管理方案的區(qū)別。
void *pvPortMalloc( size_t xSize ); //內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù) void vPortFree( void *pv ); //內(nèi)存釋放函數(shù) void vPortInitialiseBlocks( void ); //初始化內(nèi)存堆函數(shù) size_t xPortGetFreeHeapSize( void ); //獲取當(dāng)前未分配的內(nèi)存堆大小 size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void ); //獲取未分配的內(nèi)存堆歷史最小值
FreeRTOS 提供的內(nèi)存管理都是從內(nèi)存堆中分配內(nèi)存的。 從前面學(xué)習(xí)的過(guò)程中，我們也知道，創(chuàng)建任務(wù)、消息隊(duì)列、事件等操作都使用到分配內(nèi)存的函數(shù)，這是系統(tǒng)中默認(rèn)使用內(nèi)存管理函數(shù)從內(nèi)存堆中分配內(nèi)存給系統(tǒng)核心組件使用。
對(duì)于 heap_1.c、 heap_2.c 和 heap_4.c 這三種內(nèi)存管理方案，內(nèi)存堆實(shí)際上是一個(gè)很大的 數(shù) 組 ， 定 義 為 static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE] ， 而 宏 定 義configTOTAL_HEAP_SIZE 則表示系統(tǒng)管理內(nèi)存大小，單位為字， 在 FreeRTOSConfig.h 中由用戶設(shè)定。
對(duì)于 heap_3.c 這種內(nèi)存管理方案， 它封裝了 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的 malloc()和 free()函數(shù)，封裝后的 malloc()和 free()函數(shù)具備保護(hù)，可以安全在嵌入式系統(tǒng)中執(zhí)行。因此， 用戶需要通過(guò)編譯器或者啟動(dòng)文件設(shè)置堆空間。
heap_5.c 方案允許用戶使用多個(gè)非連續(xù)內(nèi)存堆空間，每個(gè)內(nèi)存堆的起始地址和大小由用戶定義。 這種應(yīng)用其實(shí)還是很大的，比如做圖形顯示、 GUI 等，可能芯片內(nèi)部的 RAM是不夠用戶使用的，需要外部 SDRAM，那這種內(nèi)存管理方案則比較合適。
3.1、heap_1.c
heap_1.c 管理方案是 FreeRTOS 提供所有內(nèi)存管理方案中最簡(jiǎn)單的一個(gè)，它只能申請(qǐng)內(nèi)存而不能進(jìn)行內(nèi)存釋放，并且申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)間是一個(gè)常量，這樣子對(duì)于要求安全的嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)是最好的，因?yàn)椴辉试S內(nèi)存釋放，就不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，但是也有缺點(diǎn)，那就是內(nèi)存利用率不高， 某段內(nèi)存只能用于內(nèi)存申請(qǐng)的地方，即使該內(nèi)存只使用一次，也無(wú)法讓系統(tǒng)回收重新利用。
實(shí)際上，大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)并不會(huì)經(jīng)常動(dòng)態(tài)申請(qǐng)與釋放內(nèi)存，一般都是在系統(tǒng)完成的時(shí)候，就一直使用下去，永不刪除， 所以這個(gè)內(nèi)存管理方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、安全可靠，使用的非常廣泛。
heap1.c 方案具有以下特點(diǎn)：
（1）用于從不刪除任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量、互斥量等的應(yīng)用程序（實(shí)際上大多數(shù)使用FreeRTOS 的應(yīng)用程序都符合這個(gè)條件） 。
?。?）函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間是確定的并且不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。heap_1.c 管理方案使用兩個(gè)靜態(tài)變量對(duì)系統(tǒng)管理的內(nèi)存進(jìn)行跟蹤內(nèi)存分配，具體見代碼清單 23-2heap_1.c 靜態(tài)變量
static size_t xNextFreeByte = ( size_t ) 0; static uint8_t *pucAlignedHeap = NULL;
變量 xNextFreeByte 用來(lái)定位下一個(gè)空閑的內(nèi)存堆位置。 真正的運(yùn)作過(guò)程是記錄已經(jīng)被分配的內(nèi)存大小，在每次申請(qǐng)內(nèi)存成功后，都會(huì)增加申請(qǐng)內(nèi)存的字節(jié)數(shù)目。 因?yàn)閮?nèi)存堆實(shí)際上是一個(gè)大數(shù)組，我們只需要知道已分配內(nèi)存的大小，就可以用它作為偏移量找到未分配內(nèi)存的起始地址。
靜態(tài)變量 pucAlignedHeap 是一個(gè)指向?qū)R后的內(nèi)存堆起始地址，我們使用一個(gè)數(shù)組作為堆內(nèi)存，但是數(shù)組的起始地址并不一定是對(duì)齊的內(nèi)存地址，所以我們需要得到FreeRTOS 管理的內(nèi)存空間對(duì)齊后的起始地址，并且保存在靜態(tài)變量 pucAlignedHeap 中。
為什么要對(duì)齊？這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)硬件訪問(wèn)內(nèi)存對(duì)齊的數(shù)據(jù)速度會(huì)更快。為了提高性能，F(xiàn)reeRTOS 會(huì)進(jìn)行對(duì)齊操作，不同的硬件架構(gòu)的內(nèi)存對(duì)齊操作可能不一樣，對(duì)于 Cortex-M3架構(gòu)，進(jìn)行 8 字節(jié)對(duì)齊。
下面一起來(lái)看看 heap_1.c 方案中的內(nèi)存管理相關(guān)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
（1）、內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù) pvPortMalloc()
內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)就是用于申請(qǐng)一塊用戶指定大小的內(nèi)存空間，當(dāng)系統(tǒng)管理的內(nèi)存空間滿足用戶需要的大小的時(shí)候，就能申請(qǐng)成功，并且返回內(nèi)存空間的起始地址。
/******************************************************************************************************* *@ 函數(shù)功能：申請(qǐng)內(nèi)存 *@ 函數(shù)參數(shù)：xWantedSize：申請(qǐng)內(nèi)存大小 *@ 返回值：無(wú) *******************************************************************************************************/ void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize );
在 使 用 內(nèi) 存 申 請(qǐng) 函 數(shù) 之 前 ， 需 要 將 管 理 的 內(nèi) 存 進(jìn) 行 初 始 化 ， 需 要 將 變 量pucAlignedHeap 指向內(nèi)存域第一個(gè)地址對(duì)齊處，因?yàn)橄到y(tǒng)管理的內(nèi)存其實(shí)是一個(gè)大數(shù)組，而編譯器為這個(gè)數(shù)組分配的起始地址是隨機(jī)的，不一定符合系統(tǒng)的對(duì)齊要求，這時(shí)候要進(jìn)行內(nèi)存地址對(duì)齊操作。比如數(shù)組 ucHeap 的地址從 0x20000123 處開始，系統(tǒng)按照 8 字節(jié)對(duì)齊，則對(duì)齊后系統(tǒng)管理的內(nèi)存示意圖具體見下圖。
在內(nèi)存對(duì)齊完成后， 用戶想要申請(qǐng)一個(gè) 30 字節(jié)大小的內(nèi)存，那么按照系統(tǒng)對(duì)齊的要求，我們會(huì)申請(qǐng)到 32 個(gè)字節(jié)大小的內(nèi)存空間，即使我們只需要 30 字節(jié)的內(nèi)存，申請(qǐng)完成的示意圖具體見下圖。
?。?）、 其他函數(shù)
其實(shí) heap_1.c 方案還有一些其他函數(shù)，只不過(guò)基本沒(méi)啥用，就簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)， vPortFree()這個(gè)函數(shù)其實(shí)上面都沒(méi)做，因?yàn)?heap_1.c 采用的內(nèi)存管理算法中不支持釋放內(nèi)存。vPortInitialiseBlocks()僅僅將靜態(tài)局部變量 xNextFreeByte 設(shè)置為 0，表示內(nèi)存沒(méi)有被申請(qǐng)。xPortGetFreeHeapSize()則是獲取當(dāng)前未分配的內(nèi)存堆大小， 這個(gè)函數(shù)通常用于檢查我們?cè)O(shè)置的內(nèi)存堆是否合理，通過(guò)這個(gè)函數(shù)可以估計(jì)出最壞情況下需要多大的內(nèi)存堆，以便合理的節(jié)省內(nèi)存資源。
3.2、 heap_2.c
heap_2.c 方案與 heap_1.c 方案采用的內(nèi)存管理算法不一樣，它采用一種最佳匹配算法(best fit algorithm)，比如我們申請(qǐng) 100 字節(jié)的內(nèi)存，而可申請(qǐng)內(nèi)存中有三塊對(duì)應(yīng)大小 200 字節(jié)， 500 字節(jié)和 1000 字節(jié)大小的內(nèi)存塊，按照算法的最佳匹配，這時(shí)候系統(tǒng)會(huì)把 200 字節(jié)大小的內(nèi)存塊進(jìn)行分割并返回申請(qǐng)內(nèi)存的起始地址，剩余的內(nèi)存則插回鏈表留待下次申請(qǐng)。
Heap_2.c 方案支持釋放申請(qǐng)的內(nèi)存， 但是它不能把相鄰的兩個(gè)小的內(nèi)存塊合成一個(gè)大的內(nèi)存塊， 對(duì)于每次申請(qǐng)內(nèi)存大小都比較固定的，這個(gè)方式是沒(méi)有問(wèn)題的，而對(duì)于每次申請(qǐng)并不是固定內(nèi)存大小的則會(huì)造成內(nèi)存碎片， 后面要講解的 heap_4.c 方案采用的內(nèi)存管理算法能解決內(nèi)存碎片的問(wèn)題，可以把這些釋放的相鄰的小的內(nèi)存塊合并成一個(gè)大的內(nèi)存塊。
同樣的，內(nèi)存分配時(shí)需要的總的內(nèi)存堆空間由文件 FreeRTOSConfig.h 中的宏configTOTAL_HEAP_SIZE 配置，單位為字。 通過(guò)調(diào)用函數(shù) xPortGetFreeHeapSize() 我們可以知道還剩下多少內(nèi)存沒(méi)有使用， 但是并不包括內(nèi)存碎片， 這樣一來(lái)我們可以實(shí)時(shí)的調(diào)整和優(yōu)化 configTOTAL_HEAP_SIZE 的大小。
heap_2.c 方案具有以下特點(diǎn)：
?。?）可以用在那些反復(fù)的刪除任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量、等內(nèi)核對(duì)象且不擔(dān)心內(nèi)存碎片的應(yīng)用程序。
（2）如果我們的應(yīng)用程序中的隊(duì)列、任務(wù)、信號(hào)量、 等工作在一個(gè)不可預(yù)料的順序，這樣子也有可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片。
（3）具有不確定性，但是效率比標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)中的 malloc 函數(shù)高得多
?。?）不能用于那些內(nèi)存分配和釋放是隨機(jī)大小的應(yīng)用程序。
heap_2.c 方案與 heap_1 方案在內(nèi)存堆初始化的時(shí)候操作都是一樣的，在內(nèi)存中開辟了一個(gè)靜態(tài)數(shù)組作為堆的空間，大小由用戶定義，然后進(jìn)行字節(jié)對(duì)齊處理。heap_2.c 方案采用鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄空閑內(nèi)存塊，將所有的空閑內(nèi)存塊組成一個(gè)空閑內(nèi)存塊鏈表， FreeRTOS 采用 2 個(gè) BlockLink_t 類型的局部靜態(tài)變量 xStart、 xEnd 來(lái)標(biāo)識(shí)空閑內(nèi)存塊鏈表的起始位置與結(jié)束位置，空閑內(nèi)存塊鏈表結(jié)構(gòu)體具體見代碼清單
typedef struct A_BLOCK_LINK { struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock; size_t xBlockSize; } BlockLink_t;
pxNextFreeBlock 成員變量是指向下一個(gè)空閑內(nèi)存塊的指針。
xBlockSize 用于記錄申請(qǐng)的內(nèi)存塊的大小，包括鏈表結(jié)構(gòu)體大小。
?。?）、內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù) pvPortMalloc()
heap_2.c 內(nèi)存管理方案采用最佳匹配算法管理內(nèi)存，系統(tǒng)會(huì)先從內(nèi)存塊空閑鏈表頭開始進(jìn)行遍歷，查找符合用戶申請(qǐng)大小的內(nèi)存塊（內(nèi)存塊空閑鏈表按內(nèi)存塊大小升序排列，所以最先返回的的塊一定是最符合申請(qǐng)內(nèi)存大小，所謂的最匹配算法就是這個(gè)意思來(lái)的）。當(dāng)找到內(nèi)存塊的時(shí)候， 返回該內(nèi)存塊偏移 heapSTRUCT_SIZE 個(gè)字節(jié)后的地址， 因?yàn)樵诿繅K內(nèi)存塊前面預(yù)留的節(jié)點(diǎn)是用于記錄內(nèi)存塊的信息， 用戶不需要也不允許操作這部分內(nèi)存。
在申請(qǐng)內(nèi)存成功的同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)判斷當(dāng)前這塊內(nèi)存是否有剩余（大于一個(gè)鏈表節(jié)點(diǎn)所需內(nèi)存空間）， 這樣子就表示剩下的內(nèi)存塊還是能存放東西的，也要將其利用起來(lái)。 如果有剩余的內(nèi)存空間， 系統(tǒng)會(huì)將內(nèi)存塊進(jìn)行分割， 在剩余的內(nèi)存塊頭部添加一個(gè)內(nèi)存節(jié)點(diǎn)，并且完善該空閑內(nèi)存塊的信息，然后將其按內(nèi)存塊大小插入內(nèi)存塊空閑鏈表中， 供下次分配使用， 其中 prvInsertBlockIntoFreeList() 這個(gè)函數(shù)就是把節(jié)點(diǎn)按大小插入到鏈表中。
/******************************************************************************************************* *@ 函數(shù)功能：申請(qǐng)內(nèi)存 *@ 函數(shù)參數(shù)：xWantedSize：申請(qǐng)內(nèi)存大小 *@ 返回值：無(wú) *******************************************************************************************************/ void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize );
（2）、內(nèi)存釋放函數(shù) vPortFree()
分配內(nèi)存的過(guò)程簡(jiǎn)單，那么釋放內(nèi)存的過(guò)程更簡(jiǎn)單，只需要向內(nèi)存釋放函數(shù)中傳入要釋放的內(nèi)存地址，那么系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向前索引到對(duì)應(yīng)鏈表節(jié)點(diǎn)， 并且取出這塊內(nèi)存塊的信息，將這個(gè)節(jié)點(diǎn)插入到空閑內(nèi)存塊鏈表中，將這個(gè)內(nèi)存塊歸還給系統(tǒng)，下面來(lái)看看 vPortFree()的源碼，具體見代碼清單 。
void vPortFree( void *pv ) { uint8_t *puc = ( uint8_t * ) pv; BlockLink_t *pxLink; if ( pv != NULL ) { /* 根據(jù)要釋放的內(nèi)存塊找到對(duì)應(yīng)的鏈表節(jié)點(diǎn) */ puc -= heapSTRUCT_SIZE; (1) pxLink = ( void * ) puc; vTaskSuspendAll(); (2) { /* 將要釋放的內(nèi)存塊添加到空閑鏈表 */ prvInsertBlockIntoFreeList( ( ( BlockLink_t * ) pxLink ) ); /* 更新一下當(dāng)前的未分配的內(nèi)存大小 */ xFreeBytesRemaining += pxLink->xBlockSize; (3) traceFREE( pv, pxLink->xBlockSize ); } ( void ) xTaskResumeAll(); (4) } }
代碼清單 23-7(1)：根據(jù)要釋放的內(nèi)存塊進(jìn)行地址偏移找到對(duì)應(yīng)的鏈表節(jié)點(diǎn)。 代碼清單 23-7(2)：掛起調(diào)度器，內(nèi)存的操作都需要掛起調(diào)度器。 代碼清單 23-7(3)：將要釋放的內(nèi)存塊添加到空閑鏈表， prvInsertBlockIntoFreeList 是一個(gè)宏定義， 就是對(duì)鏈表的簡(jiǎn)單操作， 將釋放的內(nèi)存塊按內(nèi)存大小插入空閑內(nèi)存塊鏈表中。然后系統(tǒng)更新一下表示未分配內(nèi)存大小的變量 xFreeBytesRemaining。在釋放內(nèi)存完成之后的示意圖具體見圖 23-5 與圖 23-6。 代碼清單 23-7(4)：恢復(fù)調(diào)度器。
從內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放看來(lái)， heap_2.c 方案采用的內(nèi)存管理算法雖然是高效但還是有缺陷的，由于在釋放內(nèi)存時(shí)不會(huì)將相鄰的內(nèi)存塊合并，所以這可能造成內(nèi)存碎片，當(dāng)然并不是說(shuō)這種內(nèi)存管理算法不好，只不過(guò)對(duì)使用的條件比較苛刻，要求用戶每次創(chuàng)建或釋放的任務(wù)、隊(duì)列等必須大小相同如果分配或釋放的內(nèi)存是隨機(jī)的，絕對(duì)不可以用這種內(nèi)存管理策略；如果申請(qǐng)和釋放的順序不可預(yù)料，那也很危險(xiǎn)。舉個(gè)例子， 假設(shè)用戶先申請(qǐng) 128 字節(jié)內(nèi)存，然后釋放，此時(shí)系統(tǒng)釋放的 128 字節(jié)內(nèi)存可以重復(fù)被利用； 如果用戶再接著申請(qǐng)64k 的字節(jié)內(nèi)存，那么一個(gè)本來(lái) 128 字節(jié)的大塊就會(huì)被分為兩個(gè) 64 字節(jié)的小塊，如果這種情況經(jīng)常發(fā)生，就會(huì)導(dǎo)致每個(gè)空閑塊都可能很小，最終在申請(qǐng)一個(gè)大塊時(shí)就會(huì)因?yàn)闆](méi)有合適的空閑內(nèi)存塊而申請(qǐng)失敗，這并不是因?yàn)榭偟目臻e內(nèi)存不足，而是無(wú)法申請(qǐng)到連續(xù)可以的大塊內(nèi)存。
3.3 、heap_3.c
heap_3.c 方案只是簡(jiǎn)單的封裝了標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)中的 malloc()和 free()函數(shù)， 并且能滿足常用的編譯器。 重新封裝后的 malloc()和 free()函數(shù)具有保護(hù)功能，采用的封裝方式是操作內(nèi)存前掛起調(diào)度器、完成后再恢復(fù)調(diào)度器。
heap_3.c 方案具有以下特點(diǎn)：
?。?）需要鏈接器設(shè)置一個(gè)堆， malloc()和 free()函數(shù)由編譯器提供。
?。?）具有不確定性。
?。?）很可能增大 RTOS 內(nèi)核的代碼大小。
要 注 意 的 是 在 使 用 heap_3.c 方 案 時(shí) ， FreeRTOSConfig.h 文 件 中 的configTOTAL_HEAP_SIZE 宏定義不起作用。 在 STM32 系列的工程中， 這個(gè)由編譯器定義的堆都在啟動(dòng)文件里面設(shè)置， 單位為字節(jié)，我們具體以 STM32F10x 系列為例， 具體見下圖。而其它系列的都差不多。
3.4、 heap_4.c
heap_4.c 方案與 heap_2.c 方案一樣都采用最佳匹配算法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配，但是不一樣的是 heap_4.c 方案還包含了一種合并算法，能把相鄰的空閑的內(nèi)存塊合并成一個(gè)更大的塊，這樣可以減少內(nèi)存碎片。 heap_4.c 方案特別適用于移植層中可以直接使用pvPortMalloc()和 vPortFree()函數(shù)來(lái)分配和釋放內(nèi)存的代碼。
內(nèi) 存 分 配 時(shí) 需 要 的 總 的 堆 空 間 由 文 件 FreeRTOSConfig.h 中 的 宏configTOTAL_HEAP_SIZE 配置，單位為字。 通過(guò)調(diào)用函數(shù) xPortGetFreeHeapSize() 我們可以知道還剩下多少內(nèi)存沒(méi)有使用， 但是并不包括內(nèi)存碎片。 這樣一來(lái)我們可以實(shí)時(shí)的調(diào)整和優(yōu)化 configTOTAL_HEAP_SIZE 的大小。
heap_4.c 方案的空閑內(nèi)存塊也是以單鏈表的形式連接起來(lái)的， BlockLink_t 類型的局部靜態(tài)變量 xStart 表示鏈表頭，但 heap_4.c 內(nèi)存管理方案的鏈表尾部則保存在內(nèi)存堆空間最后位置，并使用 BlockLink_t 指針類型局部靜態(tài)變量 pxEnd 指向這個(gè)區(qū)域（而 heap_2.c 內(nèi)存管理方案則使用 BlockLink_t 類型的靜態(tài)變量 xEnd 表示鏈表尾）。
heap_4.c 內(nèi)存管理方案的空閑塊鏈表不是以內(nèi)存塊大小進(jìn)行排序的，而是以內(nèi)存塊起始地址大小排序， 內(nèi)存地址小的在前，地址大的在后，因?yàn)?heap_4.c 方案還有一個(gè)內(nèi)存合并算法， 在釋放內(nèi)存的時(shí)候，假如相鄰的兩個(gè)空閑內(nèi)存塊在地址上是連續(xù)的，那么就可以合并為一個(gè)內(nèi)存塊， 這也是為了適應(yīng)合并算法而作的改變。
heap_4.c 方案具有以下特點(diǎn)：
（1）可用于重復(fù)刪除任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量、互斥量等的應(yīng)用程序
（2）可用于分配和釋放隨機(jī)字節(jié)內(nèi)存的應(yīng)用程序， 但并不像 heap2.c 那樣產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)存碎片。
?。?）具有不確定性，但是效率比標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)中的 malloc 函數(shù)高得多。
3.4.1、內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù) pvPortMalloc()
heap_4.c 方案的內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)與 heap_2.c 方案的內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)大同小異，同樣是從鏈表頭 xStart 開始遍歷查找合適的內(nèi)存塊，如果某個(gè)空閑內(nèi)存塊的大小能容得下用戶要申請(qǐng)的內(nèi)存，則將這塊內(nèi)存取出用戶需要內(nèi)存空間大小的部分返回給用戶，剩下的內(nèi)存塊組成一個(gè)新的空閑塊，按照空閑內(nèi)存塊起始地址大小順序插入到空閑塊鏈表中，內(nèi)存地址小的在前，內(nèi)存地址大的在后。在插入到空閑內(nèi)存塊鏈表的過(guò)程中，系統(tǒng)還會(huì)執(zhí)行合并算法將地址相鄰的內(nèi)存塊進(jìn)行合并：判斷這個(gè)空閑內(nèi)存塊是相鄰的空閑內(nèi)存塊合并成一個(gè)大內(nèi)存塊，如果可以則合并，合并算法是 heap_4.c 內(nèi)存管理方案和 heap_2.c 內(nèi)存管理方案最大的不同之處，這樣一來(lái)，會(huì)導(dǎo)致的內(nèi)存碎片就會(huì)大大減少，內(nèi)存管理方案適用性就很強(qiáng)，能一樣隨機(jī)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的應(yīng)用中，靈活性得到大大的提高。
/******************************************************************************************************* *@ 函數(shù)功能：申請(qǐng)內(nèi)存 *@ 函數(shù)參數(shù)：xWantedSize：申請(qǐng)內(nèi)存大小 *@ 返回值：無(wú) *******************************************************************************************************/ void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize );
3.4.2、內(nèi)存釋放函數(shù) vPortFree()
heap_4.c 內(nèi)存管理方案的內(nèi)存釋放函數(shù) vPortFree()也比較簡(jiǎn)單， 根據(jù)傳入要釋放的內(nèi)存塊地址，偏移之后找到鏈表節(jié)點(diǎn)，然后將這個(gè)內(nèi)存塊插入到空閑內(nèi)存塊鏈表中，在內(nèi)存塊插入過(guò)程中會(huì)執(zhí)行合并算法，這個(gè)我們已經(jīng)在內(nèi)存申請(qǐng)中講過(guò)了（而且合并算法多用于釋放內(nèi)存中） 。最后是將這個(gè)內(nèi)存塊標(biāo)志為“空閑” （內(nèi)存塊節(jié)點(diǎn)的 xBlockSize 成員變量最高位清 0）、再更新未分配的內(nèi)存堆大小即可。
/******************************************************************************************************* *@ 函數(shù)功能：釋放內(nèi)存 *@ 函數(shù)參數(shù)：pv：指向要釋放的內(nèi)存 *@ 返回值：無(wú) *******************************************************************************************************/ void vPortFree( void *pv )
3.5、heap_5.c
heap_5.c 方案在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配時(shí)與 heap4.c 方案一樣， 采用最佳匹配算法和合并算法，并且允許內(nèi)存堆跨越多個(gè)非連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，也就是允許在不連續(xù)的內(nèi)存堆中實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，比如用戶在片內(nèi) RAM 中定義一個(gè)內(nèi)存堆，還可以在外部 SDRAM 再定義一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存堆，這些內(nèi)存都?xì)w系統(tǒng)管理。
heap_5.c 方案通過(guò)調(diào)用 vPortDefineHeapRegions()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理的內(nèi)存初始化，在內(nèi)存初始化未完成前不允許使用內(nèi)存分配和釋放函數(shù)。 如創(chuàng)建 FreeRTOS 對(duì)象（任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量等）時(shí)會(huì)隱式的調(diào)用 pvPortMalloc()函數(shù)，因此必須注意：使用 heap_5.c 內(nèi)存管理方案創(chuàng)建任何對(duì)象前，要先調(diào)用 vPortDefineHeapRegions()函數(shù)將內(nèi)存初始化。
vPortDefineHeapRegions()函數(shù)只有一個(gè)形參， 該形參是一個(gè) HeapRegion_t 類型的結(jié)構(gòu)體數(shù)組。 HeapRegion_t 類型結(jié)構(gòu)體在 portable.h 中定義，具體見代碼清單。
typedef struct HeapRegion { /* 用于內(nèi)存堆的內(nèi)存塊起始地址*/ uint8_t *pucStartAddress; /* 內(nèi)存塊大小 */ size_t xSizeInBytes; } HeapRegion_t;
用 戶 需 要 指 定 每 個(gè) 內(nèi) 存 堆 區(qū) 域 的 起 始 地 址 和 內(nèi) 存 堆 大 小 、 將 它 們 放 在 一 個(gè)HeapRegion_t 結(jié)構(gòu)體類型數(shù)組中， 這個(gè)數(shù)組必須用一個(gè) NULL 指針和 0 作為結(jié)尾，起始地址必須從小到大排列。假設(shè)我們?yōu)閮?nèi)存堆分配兩個(gè)內(nèi)存塊，第一個(gè)內(nèi)存塊大小為 0x10000字節(jié)，起始地址為 0x80000000；第二個(gè)內(nèi)存塊大小為 0xa0000 字節(jié)，起始地址為0x90000000， vPortDefineHeapRegions()函數(shù)使用實(shí)例具體見代碼清單。
/* 在內(nèi)存中為內(nèi)存堆分配兩個(gè)內(nèi)存塊。 第一個(gè)內(nèi)存塊大小為 0x10000 字節(jié),起始地址為 0x80000000, 第二個(gè)內(nèi)存塊大小為 0xa0000 字節(jié),起始地址為 0x90000000。 起始地址為 0x80000000 的內(nèi)存塊的起始地址更低,因此放到了數(shù)組的第一個(gè)位置。 */ const HeapRegion_t xHeapRegions[] = { { ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 }, { ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 }, { NULL, 0 } /* 數(shù)組結(jié)尾 */ }; /* 向函數(shù) vPortDefineHeapRegions()傳遞形參 */ vPortDefineHeapRegions( xHeapRegions );
用戶在自定義好內(nèi)存堆數(shù)組后，需要調(diào)用 vPortDefineHeapRegions()函數(shù)初始化這些內(nèi)存堆，系統(tǒng)會(huì)已一個(gè)空閑內(nèi)存塊鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄這些空閑內(nèi)存，鏈表以 xStart 節(jié)點(diǎn)構(gòu)開頭，以 pxEnd 指針指向的位置結(jié)束。 vPortDefineHeapRegions()函數(shù)對(duì)內(nèi)存的初始化與heap_4.c 方案一樣，在這里就不再重復(fù)贅述過(guò)程。以上面的內(nèi)存堆數(shù)組為例，初始化完成后的內(nèi)存堆示意圖具體見下圖。
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