FreeROTS学习内存管理

内存管理是一个系统基本组成部分，FreeRTOS 中大量使用到了内存管理，比如创建任务、信号量、队列等会自动从堆中申请内存，用户应用层代码也可以 FreeRTOS 提供的内存管理函数来申请和释放内存

FreeRTOS 内存管理简介

FreeRTOS 创建任务、队列、信号量等的时候有两种方法，一种是动态的申请所需的 RAM。一种是由用户自行定义所需的 RAM，这种方法也叫静态方法

不同的嵌入式系统对于内存分配和时间要求不同，因此一个内存分配算法可以作为系统的可选选项。FreeRTOS 将内存分配作为移植层的一部分，这样 FreeRTOS 使用者就可以使用自己的合适的内存分配方法。

当内核需要 RAM 的时候可以使用 pvPortMalloc()来替代 malloc()申请内存，不使用内存的时候可以使用 vPortFree()函数来替代 free()函数释放内存。函数 pvPortMalloc()、vPortFree()与函数 malloc()、free()的函数原型类似

FreeRTOS 提供了 5 种内存分配方法，FreeRTOS 使用者可以其中的某一个方法，或者自己的内存分配方法。这 5 种方法是 5 个文件，分为:heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c 和heap_5.c。这 5 个文件在FreeRTOS 源码中

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学习内存分配方法之前我们先来看一下什么叫做内存碎片
在这里插入图片描述
有些应用使用完内存，进行了释放，从左往右第一个 80B 和后面的 10B 这两个内存块就是释放的内存。如果此时有个应用需要 50B 的内存，那么它可以从两个地方来获取到，一个是最前面的还没被分配过的剩余内存块，另一个就是刚刚释放出来的 80B 的内存块。但是很明显，刚刚释放出来的这个 10B 的内存块就没法用了，除非此时有另外一个应用所需要的内存小于 10B；

经过很多次的申请和释放以后，内存块被不断的分割、最终导致大量很小的内存块！也就是图中 80B 和 50B 这两个内存块之间的小内存块，这些内存块由于太小导致大多数应用无法使用，这些没法使用的内存块就沦为了内存碎片；

内存碎片是内存管理算法重点解决的一个问题，否则的话会导致实际可用的内存越来越少，最终应用程序因为分配不到合适的内存而奔溃！FreeRTOS 的 heap_4.c 就给我们提供了一个解决内存碎片的方法，那就是将内存碎片进行合并组成一个新的可用的大内存块

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内存管理方法	简介	优点	缺点
heap_1.c	简单静态分配方式，提供单一的内存堆，分配后内存块不会被释放，内存块大小在编译时确定。	实现简单，占用资源少，无内存碎片问题，对于资源分配固定的简单系统可靠性高。	缺乏灵活性，不能动态释放内存，不适用于需要频繁分配和释放内存的复杂场景。
heap_2.c	基于单向链表管理固定大小的内存块，可动态分配和释放内存。	对于固定大小内存块的分配和释放操作相对简单高效，适用于内存块大小固定的频繁分配和释放场景，如相同大小任务栈的管理。	只能处理固定大小的内存块，存在内存碎片风险，当内存块大小需求不一致时，内存利用率可能较低。
heap_3.c	对标准C库的`malloc()`和`free()`函数进行简单包装。	利用标准C库的功能，易于理解和移植，在熟悉标准C库内存管理的情况下可以快速上手。	依赖标准C库的性能和特性，可能存在标准C库本身的内存碎片问题，对一些资源受限的嵌入式系统可能不太适用。
heap_4.c	采用双向链表管理可变大小的内存块，能合并相邻空闲内存块来提高利用率，可动态分配和释放。	能灵活处理不同大小的内存块分配，通过合并空闲内存块提高了内存利用率，适用于复杂多变的内存分配需求。	实现相对复杂，占用一定的系统资源用于管理内存链表，内存分配和释放操作可能比简单的方法耗时。
heap_5.c	基于heap_4.c的算法扩展到多个不连续的内存区域，可在这些区域间分配和释放内存。	能够有效利用分散的内存资源，适用于内存分布不连续的系统，提高了整个系统的内存可用性。	管理多个区域的内存增加了复杂性，对内存管理的开销进一步增大，实现和调试难度较高。

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字节对齐的目的是什么？
在这里插入图片描述

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1、heap_1 内存分配方法

动态内存分配需要一个内存堆， FreeRTOS 中的内存堆 ucHeap[] ，大小为configTOTAL_HEAP_SIZE，这个前面讲 FreeRTOS 配置的时候就讲过了。不管是哪种内存分配方法，它们的内存堆都为 ucHeap[] , 而且大小都是 configTOTAL_HEAP_SIZE。内存堆在文件heap_x.c (x 为 1~5) 中定义的，比如 heap_1.c 文件：

#if( configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP == 1 ) 
 extern uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]; 
 //需要用户自行定义内存堆 
 //当宏 configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP 为 1 的时候需要
 //用户自行定义内存堆，否则的话由编译器来决定，默认都是由编译器
 //来决定的。如果自己定义的话就可以将内存堆定义
 //到外部 SRAM 或者 SDRAM 中
#else 
 static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]; //编译器决定 
#endif

heap_1 实现起来就是当需要 RAM 的时候就从一个大数组(内存堆)中分一小块出来，大数组(内存堆)的容量为 configTOTAL_HEAP_SIZE，上面已经说了。使用函数 xPortGetFreeHeapSize()可以获取内存堆中剩余内存大小。

适用于那些一旦创建好任务、信号量和队列就再也不会删除的应用，实际上大多数的FreeRTOS 应用都是这样的，代码实现和内存分配过程都非常简单，内存是从一个静态数组中分配到的，也就是适合于那些不需要动态内存分配的应用

void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize ) 
{ 	void *pvReturn = NULL; 
	static uint8_t *pucAlignedHeap = NULL; 
 
 	//确保字节对齐 
 	#if( portBYTE_ALIGNMENT != 1 ) //(1) 这是一个条件编译指令。只有当 portBYTE_ALIGNMENT 
 	//不等于 1 时，才会编译 #if 和 #endif 之间的代码
 	{ 
 	if( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) //(2) 这里使用按位与操作符 & 来检查 xWantedSize 
 	//与 portBYTE_ALIGNMENT_MASK 按位与的结果是否不为零。
 	//如果结果不为零，说明 xWantedSize 不是 portBYTE_ALIGNMENT 的整数倍，
 	//需要进行字节对齐
 	{ 
 	//需要进行字节对齐 
 	xWantedSize += ( portBYTE_ALIGNMENT - ( xWantedSize & 
 	portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ); 
 	//(3) 这一步是进行字节对齐的核心操作。xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK 
 	//得到 xWantedSize 对 portBYTE_ALIGNMENT 取模的结果，即当前 xWantedSize 
 	//距离下一个 portBYTE_ALIGNMENT 整数倍的差值。然后用 portBYTE_ALIGNMENT 
 	//减去这个差值，得到需要增加的字节数，最后将这个增加的字节数加到 xWantedSize 上，
 	//从而实现字节对齐
 	} 
 	} 
 	#endif 

	vTaskSuspendAll(); //(4) 
 	{ 
 	if( pucAlignedHeap == NULL ) 
 	{ 
 	//确保内存堆的开始地址是字节对齐的 
 	pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE )\ //(5) 
 	&ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) &\ 
 	( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE )\ 
 	portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) ); 
 	} 
 
 	//检查是否有足够的内存供分配，有的话就分配内存 
 	if( ( ( xNextFreeByte + xWantedSize ) < configADJUSTED_HEAP_SIZE ) && //(6) 
 	( ( xNextFreeByte + xWantedSize ) > xNextFreeByte ) ) 
 	{ 
 	pvReturn = pucAlignedHeap + xNextFreeByte; //(7) 
 	xNextFreeByte += xWantedSize; //(8) 
 	} 
 
 	traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize ); 
 	} 
 	( void ) xTaskResumeAll(); //(9) 
 
 	#if( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 ) //(10) 
	{ 
 	if( pvReturn == NULL ) 
 	{ 
 	extern void vApplicationMallocFailedHook( void ); 
 	vApplicationMallocFailedHook(); 
 	} 
 	} 
 	#endif 
 
 	return pvReturn; //(11) 
}

补充：
portBYTE_ALIGNMENT 是一个在特定编程环境（尤其是嵌入式系统或与硬件交互紧密的代码中）经常使用的宏定义或常量。它用于指定字节对齐的规则，即数据存储时按照多少字节的边界进行对齐；

指定对齐单位：它的值表示数据在内存中存储时需要对齐的字节数。例如，如果 portBYTE_ALIGNMENT 被定义为 4，意味着数据存储时会按照 4 字节的边界进行对齐。这通常是为了满足特定硬件架构对数据访问的要求，不同的硬件架构可能对数据的对齐方式有不同的规定，以提高内存访问的效率和稳定性

条件编译与对齐处理：在代码中，常通过 portBYTE_ALIGNMENT 来进行条件编译和字节对齐的逻辑判断。就像你提供的代码中，通过检查 portBYTE_ALIGNMENT 是否不等于 1 来决定是否执行后续的字节对齐操作。如果 portBYTE_ALIGNMENT 等于 1，说明不需要进行特殊的字节对齐处理，因为所有数据默认已经按 1 字节对齐；而当 portBYTE_ALIGNMENT 大于 1 时，需要对数据大小进行调整，使其满足指定的对齐要求。

portBYTE_ALIGNMENT_MASK 的作用：
portBYTE_ALIGNMENT_MASK 是一个与 portBYTE_ALIGNMENT 相关的掩码值。通常，portBYTE_ALIGNMENT 是 2 的幂次方，例如 2、4、8 等。当 portBYTE_ALIGNMENT 是 2 的幂次方时，portBYTE_ALIGNMENT_MASK 的值为 portBYTE_ALIGNMENT - 1。
例如：
如果 portBYTE_ALIGNMENT 为 4（二进制 100），那么 portBYTE_ALIGNMENT_MASK 为 3（二进制 011）。
如果 portBYTE_ALIGNMENT 为 8（二进制 1000），那么 portBYTE_ALIGNMENT_MASK 为 7（二进制 0111）。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

2、heap_2 内存分配方法

heap_2提供了一个更好的分配算法，不像heap_1那样，heap_2提供了内存释放函数。 heap_2不会把释放的内存块合并成一个大块，这样有一个缺点，随着你不断的申请内存，内存堆就会被分为很多个大小不一的内存(块)，也就是会导致内存碎片

3、heap_3 内存分配方法

这个分配方法是对标准 C 中的函数 malloc()和 free()的简单封装，FreeRTOS 对这两个函数做了线程保护

4、heap_4 内存分配方法

heap_4 提供了一个最优的匹配算法，不像 heap_2，heap_4会将内存碎片合并成一个大的可用内存块，它提供了内存块合并算法。内存堆为ucHeap[ ]，大小同样为configTOTAL_HEAP_SIZE。

可以通过函数xPortGetFreeHeapSize() 来获取剩余的内存大小

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它采用双向链表结构来管理内存，并能够合并相邻的空闲内存块。这使得内存的利用率得到提高。在资源有限的嵌入式系统中，高效的内存利用至关重要。比如，当一个任务结束并释放其占用的内存块后，heap_4.c 可以将该内存块与相邻的空闲内存块合并为一个更大的空闲内存块，以便后续分配给需要较大内存空间的其他任务或资源。