四、内存管理

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1、为什么需要自己实现内存管理

(1)RTOS涉及的内核对象：task、queue、semaphores和event group等。为了让FreeRTOS更容
易使用，这些内核对象一般都是动态分配：用到时分配，不使用时释放。使用内存的动态管理功能，简化了程序设计：不再需要小心翼翼地提前规划各类对象，简化API函数的涉及，甚至可以减少内存的使用。

(2)内存的动态管理是C程序的知识范畴，并不属于FreeRTOS的知识范畴，但是它跟FreeRTOS紧密相关。

(3)在C语言的库函数中，有mallc、free等函数管理内存，但是在FreeRTOS中，它们不适用。

  • 不适合用在资源紧缺的嵌入式系统中。
  • 这些函数的实现过于复杂、占据的代码空间太大。
  • 并非线程安全的(thread-safe)。
  • 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。
  • 使用不同的编译器时，需要进行复杂的配置。
  • 有时候难以调试。

2、堆栈

        我们经常"堆栈"混合着说，但堆和栈是不同的东西。

2.1、堆

(1)堆在计算机中有两种理解，这里介绍的是动态内存管理机制。

  • 堆是一种数据结构。
  • 堆是一种动态内存管理机制。

(2)堆是一种动态内存管理机制，它允许程序在运行时动态地分配和释放内存。堆管理器提供了一组函数或操作，用于分配和释放堆内存。堆内存可以被程序中的不同部分共享，并且可以在程序运行时动态地分配和释放。

(3)Keil工程在中文目录下，仿真退出会出错。

2.2、栈

(1)栈(Stack)是一种只能在一端进行插入和删除操作的数据结构，具有先进后出的特性。

(2)在RTOS中，每个任务都得有自己得栈。

(3)栈的功能。

  • 内存管理：在编程中，栈通常用于管理内存。当程序调用一个函数时，函数的参数、返回地址会被压入栈中，变量也会被存储在栈中。当函数返回时，这些值将从栈中弹出，释放内存。这种方式简化了内存管理，确保不会提前释放在占用状态下的内存空间。
  • 表达式求值：栈可以用于解决表达式求值问题。通常情况下，表达式中的操作符和操作数必须按照特定的规则进行计算。栈可以帮助记录操作符状态，并计算操作数。
  • 问题的回溯：栈也常用于问题的回溯，即在出现错误或面临问题时，通过回溯栈中的信息来了解问题发生的情况。
  • 操作系统多任务模式：栈是构建出操作系统多任务模式的基础，但在具体的实现中，需要用汇编代码来实现栈的切换。

3、FreeRTOS中的5种内存管理方法

        FreeRTOS中内存管理的接口函数为：pvPortMalloc 、vPortFree，对应于C库的malloc、free。文件在 FreeRTOS/Source/portable/MemMang 下，它也是放在 portable 目录下，表示你可以提供自己的函数。源码中默认提供了5个文件，对应内存管理的5种方法。

文件 优点 缺点
heap_1.c 分配简单，时间确定 只分配、不回收
heap_2.c 动态分配、最佳匹配 碎片、时间不定
heap_3.c 调用标准库函数 速度慢、时间不定
heap_4.c 相邻空闲内存可合并 可解决碎片问题、时间不定
heap_5.c 在heap_4基础上支持分隔的内存块 可解决碎片问题、时间不定

参考内容：《掌握FreeRTOS实时内核-实操教程》

3.1、Heap_1

(1)Heap_1只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree。如果程序不需要删除内核对象，那么可以使用heap_1。

  • 实现最简单，没有碎片问题。
  • 一些要求非常严格的系统里，不允许使用动态内存，就可以使用heap_1。

(2)它的实现原理很简单，首先定义一个大数组，然后，对于pvPortMalloc调用时，从数组中分配空间。

/*为堆分配内存*/
##if ( configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP == 1 )
/*应用程序的作者已经定义了用于RTOS堆的数组——可能是为了把它放在一个特殊的段或地址中*/
extern uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
##else
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
##endif /*配置应用程序分配堆*/

(3)FreeRTOS在创建任务时，需要2个内核对象：task control block(TCB)、stack。使用heap_1时，内存分配过程如下图所示：

  • A：创建任务之前整个数组都是空闲的。
  • B：创建第1个任务之后，蓝色区域被分配出去了。
  • C：创建3个任务之后的数组使用情况。

3.2、Heap_2

(1)Heap_2之所以还保留，只是为了兼容以前的代码。新设计中不再推荐使用Heap_2。建议使用Heap_4来替代Heap_2，更加高效。

(2)Heap_2也是在数组上分配内存，跟Heap_1不一样的地方在于：

  • Heap_2使用最佳匹配算法(best fit)来分配内存
  • 它支持vPortFree

(3)最佳匹配算法：

  • 假设heap有3块空闲内存：5字节、25字节、100字节。
  • pvPortMalloc想申请20字节。
  • 找出最小的、能满足pvPortMalloc的内存：25字节。
  • 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。

(4)与Heap_4相比，Heap_2不会合并相邻的空闲内存，所以Heap_2会导致严重的"碎片化"问题。
但是，如果申请、分配内存时大小总是相同的，这类场景下Heap_2没有碎片化的问题。所以它适合这种场景：频繁地创建、删除任务，但是任务的栈大小都是相同的(创建任务时，需要分配TCB和栈，任务的TCB大小总是一样的)。
(5)虽然不再推荐使用heap_2，但是它的效率还是远高于malloc、free。

(6)使用heap_2时，内存分配过程如下图所示：

  • A：创建了3个任务。
  • B：删除了一个任务，空闲内存有3部分：顶层的、被删除任务的TCB空间、被删除任务的Stack空间 。
  • C：创建了一个新任务，因为TCB、栈大小跟前面被删除任务的TCB、栈大小一致，所以刚好分配到原来的内存。

3.3、Heap_3

(1)Heap_3使用标准C库里的malloc、free函数，所以堆大小由链接器的配置决定，配置项configTOTAL_HEAP_SIZE不再起作用。
(2)C库里的malloc、free函数并非线程安全的，Heap_3中先暂停FreeRTOS的调度器，再去调用这些函数，使用这种方法实现了线程安全。

3.4、Heap_4

(1)跟Heap_1、Heap_2一样，Heap_4也是使用大数组来分配内存。Heap_4使用首次适应算法(first fit)来分配内存。它还会把相邻的空闲内存合并为一个更大的空闲内存，这有助于较少内存的碎片问题。

(2)首次适应算法：

  • 假设堆中有3块空闲内存：5字节、200字节、100字节。
  • pvPortMalloc想申请20字节。
  • 找出第1个能满足pvPortMalloc的内存：200字节。
  • 把它划分为20字节、180字节。
  • 返回这20字节的地址，剩下的180字节仍然是空闲状态，留给后续的pvPortMalloc使用。

(3)Heap_4会把相邻空闲内存合并为一个大的空闲内存，可以减少内存的碎片化问题。适用于这种场景：频繁地分配、释放不同大小的内存。

(4)Heap_4执行的时间是不确定的，但是它的效率高于标准库的malloc、free。

(5)Heap_4的使用过程举例如下：

  • A：创建了3个任务。
  • B：删除了一个任务，空闲内存有2部分：顶层的空闲内存，被删除任务的TCB空间、被删除任务的Stack空间合并起来的内存。
  • C：分配了一个Queue，从第1个空闲块中分配空间。
  • D：分配了一个User数据，从Queue之后的空闲块中分配。
  • E：释放的Queue，User前后都有一块空闲内存。
  • F：释放了User数据，User前后的内存、User本身占据的内存，合并为一个大的空闲内存。

3.5、Heap_5

(1)Heap_5分配内存、释放内存的算法跟Heap_4是一样的。相比于Heap_4，Heap_5并不局限于管理一个大数组：它可以管理多块、分隔开的内存。

(2)在嵌入式系统中，内存的地址可能并不连续，这种场景下可以使用Heap_5。

(3)既然内存时分隔开的，那么就需要进行初始化：确定这些内存块在哪、多大：

  • 在使用pvPortMalloc之前，必须先指定内存块的信息。
  • 使用vPortDefineHeapRegions来指定这些信息。

(4)怎么指定一块内存？使用如下结构体：

typedef struct HeapRegion
{
    uint8_t * pucStartAddress; // 起始地址
    size_t xSizeInBytes;       // 大小
} HeapRegion_t;

(5)怎么指定多块内存？使用一个HeapRegion_t数组，在这个数组中，低地址在前、高地址在后。比如：

HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{
    { ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 }, // 起始地址0x80000000，大小0x10000
    { ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 }, // 起始地址0x90000000，大小0xa0000
    { NULL, 0 } // 表示数组结束
};

(6)vPortDefineHeapRegions函数原型如下，把xHeapRegions数组传给vPortDefineHeapRegions函数，即可初始化Heap_5。

void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions );

4、Heap相关的函数

4.1、pvPortMalloc/vPortFree

(1)函数原型：

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );
void vPortFree( void * pv );

(2)作用：分配内存、释放内存。
(3)如果分配内存不成功，则返回值为NULL。

4.2、xPortGetFreeHeapSize

(1)函数原型：

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

(2)当前还有多少空闲内存，这函数可以用来优化内存的使用情况。比如当所有内核对象都分配好后，执行此函数返回2000，那么configTOTAL_HEAP_SIZE就可减小2000。
注意：在heap_3中无法使用。

4.3、xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

(1)函数原型：

size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );

(2)返回：程序运行过程中，空闲内存容量的最小值。
(3)注意：只有heap_4、heap_5支持此函数。

4.4、malloc失败的钩子函数

(1)在pvPortMalloc函数内部：

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )vPortDefineHeapRegions
{
    ......
    #if ( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )
    {
        if( pvReturn == NULL )
        {
            extern void vApplicationMallocFailedHook( void );
            vApplicationMallocFailedHook();
        }
    }
    #endif
    return pvReturn;
}

(2)所以，如果想使用这个钩子函数：

  • 在FreeRTOSConfig.h中，把configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK定义为1。
  • 提供vApplicationMallocFailedHook函数。
  • pvPortMalloc失败时，才会调用此函数

本图文内容来源于网友网络收集整理提供，作为学习参考使用，版权属于原作者。
THE END
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