FreeRTOS系列第25篇---FreeRTOS内存管理分析

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ID：技术让梦想更伟大

整理：李肖遥

内存管理对应用程序和操作系统来说都非常重要。现在很多的程序漏洞和运行崩溃都和内存分配使用错误有关。

FreeRTOS操作系统将内核与内存管理分开实现，操作系统内核仅规定了必要的内存管理函数原型，而不关心这些内存管理函数是如何实现的。

这样做大有好处，可以增加系统的灵活性：不同的应用场合可以使用不同的内存分配实现，选择对自己更有利的内存管理策略。

比如对于安全型的嵌入式系统，通常不允许动态内存分配，那么可以采用非常简单的内存管理策略，一经申请的内存，甚至不允许被释放。

在满足设计要求的前提下，系统越简单越容易做的更安全。

再比如一些复杂应用，要求动态的申请、释放内存操作，那么也可以设计出相对复杂的内存管理策略，允许动态分配和动态释放。

「FreeRTOS内核规定的几个内存管理函数原型为：」

void *pvPortMalloc( size_t xSize ) ：内存申请函数
void vPortFree( void *pv ) ：内存释放函数
void vPortInitialiseBlocks( void ) ：初始化内存堆函数
size_t xPortGetFreeHeapSize( void ) ：获取当前未分配的内存堆大小
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void )：获取未分配的内存堆历史最小值
FreeRTOS提供了5种内存管理实现，有简单也有复杂的，可以应用于绝大多数场合。

它们位于下载包目录*...\FreeRTOS\Source\portable\MemMang*中,文件名分别为：heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c。

我在《FreeRTOS系列第8篇---FreeRTOS内存管理》这篇文章中介绍了这5种内存管理的特性以及各自应用的场合，今天我们要分析它们的实现方法。

FreeRTOS提供的内存管理都是从内存堆中分配内存的。默认情况下，FreeRTOS内核创建任务、队列、信号量、事件组、软件定时器都是借助内存管理函数从内存堆中分配内存。

最新的FreeRTOS版本（V9.0.0及其以上版本）可以完全使用静态内存分配方法，也就是不使用任何内存堆。

对于heap_1.c、heap_2.c和heap_4.c这三种内存管理策略，内存堆实际上是一个很大的数组，定义为：

static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
其中宏configTOTAL_HEAP_SIZE用来定义内存堆的大小，这个宏在FreeRTOSConfig.h中设置。

对于heap_3.c，这种策略只是简单的包装了标准库中的malloc()和free()函数，包装后的malloc()和free()函数具备线程保护。因此，内存堆需要通过编译器或者启动文件设置堆空间。

heap_5.c比较有趣，它允许程序设置多个非连续内存堆，比如需要快速访问的内存堆设置在片内RAM，稍微慢速访问的内存堆设置在外部RAM。每个内存堆的起始地址和大小由应用程序设计者定义。

1. heap_1.c

这是5个内存管理策略中最简单的一个，我们称为第一个内存管理策略，它简单到只能申请内存。

是的，跟你想的一样，一旦申请成功后，这块内存再也不能被释放。

对于大多数嵌入式系统，特别是对安全要求高的嵌入式系统，这种内存管理策略很有用，因为对系统软件来说，逻辑越简单越容易兼顾安全。

实际上，大多数的嵌入式系统并不需要动态删除任务、信号量、队列等，而是在初始化的时候一次性创建好，便一直使用，永远不用删除。

所以这个内存管理策略实现简洁、安全可靠，使用的非常广泛。我对这个对内存管理策略也情有独钟。

我们可以将第一种内存管理看作是切面包：初始化的内存就像一根完整的长棍面包，每次申请内存，就从一端切下适当长度的面包返还给申请者，直到面包被分配完毕，就这么简单。

这个内存管理策略使用两个局部静态变量来跟踪内存分配，变量定义为：

static size_t xNextFreeByte = ( size_t ) 0;
static uint8_t *pucAlignedHeap = NULL;
其中，变量xNextFreeByte记录已经分配的内存大小，用来定位下一个空闲的内存堆位置。

因为内存堆实际上是一个大数组，我们只需要知道已分配内存的大小，就可以用它作为偏移量找到未分配内存的起始地址。

变量xNextFreeByte被初始化为0，然后每次申请内存成功后，都会增加申请内存的字节数目。

变量pucAlignedHeap指向对齐后的内存堆起始位置。「为什么要对齐？」

这是因为大多数硬件访问内存对齐的数据速度会更快。

为了提高性能，FreeRTOS会进行对齐操作，不同的硬件架构对齐操作也不尽相同，对于Cortex-M3架构，进行8字节对齐。

我们来看一下第一种内存管理策略对外提供的API函数。

1.1内存申请：pvPortMalloc()

「函数源码为：」

void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize )
{
void *pvReturn = NULL;
static uint8_t *pucAlignedHeap = NULL;
 
    /* 确保申请的字节数是对齐字节数的倍数 */
    #if( portBYTE_ALIGNMENT != 1 )
    {
        if( xWantedSize