FreeRTOS——内存管理（freertos内存优化）

https://www.freertos.org/a00111.html

内存管理

[另请参见静态与动态内存分配页面，该页面描述了静态（不使用FreeRTOS堆）或动态分配RTOS对象的优缺点，以及可在FreeRTOSConfig.h中定义的
configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP常量的描述。 参考项目，演示如何在没有堆实现的情况下使用FreeRTOS。]

每当创建任务，队列，互斥锁，软件计时器，信号灯或事件组时，RTOS内核都需要RAM。 可以从RTOS API对象创建函数中的RTOS堆自动动态分配RAM，也可以由应用程序编写器提供。

如果RTOS对象是动态创建的，则有时可以将标准C库malloc（）和free（）函数用于此目的，但是…

1. 它们并不总是在嵌入式系统上可用，
2. 他们占用了宝贵的代码空间，
3. 它们不是线程安全的，
4. 它们不是确定性的（执行函数所需的时间因调用而异）

…经常需要替代的内存分配实现。

一个嵌入式/实时系统可能具有与另一个系统不同的RAM和时序要求-因此，单一的RAM分配算法仅适用于部分应用程序。

为了解决这个问题，FreeRTOS将内存分配API保留在其可移植层中。可移植层位于实现核心RTOS功能的源文件之外，从而允许提供适合于正在开发的实时系统的特定于应用程序的实现。当RTOS内核需要RAM时，它不调用malloc（），而是调用pvPortMalloc（）。当释放RAM时，RTOS内核将调用vPortFree（）而不是调用free（）。

FreeRTOS提供了几种堆管理方案，这些方案的复杂性和功能范围广泛。也可以提供自己的堆实现，甚至可以同时使用两个堆实现。同时使用两个堆实现允许将任务堆栈和其他RTOS对象放置在快速内部RAM中，并将应用程序数据放置在较慢的外部RAM中。

RTOS源代码下载中包含的内存分配实现

FreeRTOS下载包括五个样本内存分配实现，以下各小节将介绍每种实现。这些小节还包含有关何时提供的每个实现最适合选择的信息。

每个提供的实现都包含在单独的源文件中（分别为heap_1.c，heap_2.c，heap_3.c，heap_4.c和heap_5.c），这些文件位于主RTOS源代码下载的Source / Portable / MemMang目录中。 。可以根据需要添加其他实现。这些源文件中的一个文件应该一次包含在项目中[由这些可移植层功能定义的堆将由RTOS内核使用，即使使用RTOS的应用程序选择使用其自己的堆实现]。

以下内容：

heap_1 –最简单，不允许释放内存。

heap_2 –允许释放内存，但不能合并相邻的空闲块。

heap_3 –简单包装标准malloc（）和free（）以确保线程安全。

heap_4 –合并相邻的空闲块以避免碎片。包括绝对地址放置选项。

heap_5 –按照heap_4，能够跨多个不相邻的内存区域分布堆。

笔记：

因为FreeRTOS添加了对静态分配的支持，所以heap_1的用处不大。

现在，heap_2被认为是遗留的，因为首选新的heap_4实现。

heap_1.c

因为FreeRTOS添加了对静态分配的支持，所以heap_1的用处不大。

heap_1是所有方法中最简单的实现。一旦分配了内存，就不允许释放内存。尽管如此，heap_1.c适用于大量嵌入式应用程序。这是因为许多小型且深度嵌入式的应用程序会在系统启动时创建所需的所有任务，队列，信号量等，然后在程序生命周期内使用所有这些对象（直到再次关闭该应用程序或重新启动该应用程序 ）。什么都不会被删除。

该实现仅在请求RAM时将单个阵列细分为较小的块。阵列的总大小（堆的总大小）由configTOTAL_HEAP_SIZE设置-在FreeRTOSConfig.h中定义。提供了
configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP FreeRTOSConfig.h配置常量，以允许将堆放置在内存中的特定地址处。

xPortGetFreeHeapSize（）API函数返回仍未分配的堆空间总量，从而可以优化configTOTAL_HEAP_SIZE设置。

heap_1实现：

• 如果您的应用程序从不删除任务，队列，信号灯，互斥锁等（实际上涵盖了使用FreeRTOS的大多数应用程序），则可以使用。
• 始终是确定性的（总是花费相同的时间来执行），并且不会导致内存碎片。
• 它是非常简单的，可以从静态分配的数组中分配内存，这意味着它通常适用于不允许真正的动态内存分配的应用程序。

heap_2.c

heap_2使用最佳拟合算法，并且与方案1不同，它允许释放先前分配的块。它不会将相邻的空闲块合并为一个大块。有关执行无结合块的实现，请参见heap_4.c。

可用堆空间的总量由configTOTAL_HEAP_SIZE设置-在FreeRTOSConfig.h中定义。提供了
configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP FreeRTOSConfig.h配置常量，以允许将堆放置在内存中的特定地址处。

xPortGetFreeHeapSize（）API函数返回仍未分配的堆空间总量（允许优化configTOTAL_HEAP_SIZE设置），但未提供有关如何将未分配的内存分成较小的块的信息。

此实现：

• 即使应用程序反复删除任务，队列，信号量，互斥对象等，也可以使用，以下有关内存碎片的警告说明如下。
• 如果正在分配和释放的内存是随机大小，则不应使用。例如：

<1>如果应用程序动态创建和删除任务，并且分配给正在创建的任务的堆栈大小始终相同，则在大多数情况下可以使用heap2.c。但是，如果分配给正在创建的任务的堆栈大小并不总是相同，则可用的空闲内存可能会分成许多小块，最终导致分配失败。在这种情况下，heap_4.c会更好。

<2>如果应用程序动态创建和删除队列，并且每种情况下队列存储区域都相同（队列存储区域是队列项目大小乘以队列长度），则在大多数情况下都可以使用heap_2.c。但是，如果队列存储区域在每种情况下都不相同，则可用的空闲内存可能会分成许多小块，最终导致分配失败。在这种情况下，heap_4.c会更好。

• 该应用程序直接调用pvPortMalloc（）和vPortFree（），而不仅仅是通过其他FreeRTOS API函数间接调用。
• 如果您的应用程序以不可预测的顺序排队，任务，信号量，互斥体等，可能会导致内存碎片问题。对于几乎所有应用程序来说这都是不可能的，但应牢记。
• 不确定，但比大多数标准C库malloc实现要有效得多。

heap_2.c适用于许多必须动态创建对象的小型实时系统。有关将空闲内存块组合成单个较大块的类似实现，请参见heap_4。

heap_3.c

这为标准C库malloc（）和free（）函数实现了一个简单的包装器，在大多数情况下，这些包装器将随您选择的编译器一起提供。 包装器只是使malloc（）和free（）函数线程安全。

此实现：

• 需要链接器设置堆，并且需要编译器库提供malloc（）和free（）实现。
• 是不确定的。
• 可能会大大增加RTOS内核代码的大小。

注意，当使用heap_3时，FreeRTOSConfig.h中的configTOTAL_HEAP_SIZE设置无效。

heap_4.c

该方案使用了第一拟合算法，并且与方案2不同，它确实将相邻的空闲内存块组合为一个大块（它确实包括合并算法）。

可用堆空间的总量由configTOTAL_HEAP_SIZE设置-在FreeRTOSConfig.h中定义。 提供了
configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP FreeRTOSConfig.h配置常量，以允许将堆放置在内存中的特定地址处。

xPortGetFreeHeapSize（）API函数返回调用该函数时仍未分配的堆空间总量，并且
xPortGetMinimumEverFreeHeapSize（）API函数返回FreeRTOS应用程序已启动的系统中已存在的最小可用堆空间。 这两个函数均未提供有关如何将未分配的内存分成较小的块的信息。

vPortGetHeapStats（）API函数提供了其他信息。 它将填充heap_t结构的成员，如下所示。

/* Prototype of the vPortGetHeapStats() function. */

void vPortGetHeapStats( HeapStats_t *xHeapStats );

/* Definition of the Heap_stats_t structure. */

typedef struct xHeapStats

{

size_t xAvailableHeapSpaceInBytes; /* The total heap size currently available – this is the sum of all the free blocks, not the largest block that can be allocated. */

size_t xSizeOfLargestFreeBlockInBytes; /* The maximum size, in bytes, of all the free blocks within the heap at the time vPortGetHeapStats() is called. */

size_t xSizeOfSmallestFreeBlockInBytes; /* The minimum size, in bytes, of all the free blocks within the heap at the time vPortGetHeapStats() is called. */

size_t xNumberOfFreeBlocks; /* The number of free memory blocks within the heap at the time vPortGetHeapStats() is called. */

size_t xMinimumEverFreeBytesRemaining; /* The minimum amount of total free memory (sum of all free blocks) there has been in the heap since the system booted. */

size_t xNumberOfSuccessfulAllocations; /* The number of calls to pvPortMalloc() that have returned a valid memory block. */

size_t xNumberOfSuccessfulFrees; /* The number of calls to vPortFree() that has successfully freed a block of memory. */

} HeapStats_t;

heap_4：

• 即使应用程序反复删除任务，队列，信号量，互斥量等，也可以使用。
• 与堆_2实现相比，即使将要分配和释放的内存具有随机大小，也很难将堆空间碎片化为多个小块。
• 不确定，但比大多数标准C库malloc实现要有效得多。

对于要直接在应用程序代码中使用便携式层内存分配方案的应用程序，heap_4.c尤其有用（而不是仅通过调用本身调用pvPortMalloc（）和vPortFree（）的API函数来间接使用）。

heap_5.c

该方案使用与heap_4相同的首次匹配和内存合并算法，并允许堆跨越多个不相邻（不连续）的内存区域。

Heap_5通过调用vPortDefineHeapRegions（）进行初始化，只有在执行vPortDefineHeapRegions（）之后才能使用。 创建RTOS对象（任务，队列，信号量等）将隐式调用pvPortMalloc（），因此在使用heap_5时，必须在创建任何此类对象之前先调用vPortDefineHeapRegions（）。

vPortDefineHeapRegions（）使用单个参数。 该参数是HeapRegion_t结构的数组。 HeapRegion_t在Portable.h中定义为

typedef struct HeapRegion

{

/* Start address of a block of memory that will be part of the heap.*/

uint8_t *pucStartAddress;

/* Size of the block of memory. */

size_t xSizeInBytes;

} HeapRegion_t;

The HeapRegion_t type definition

该数组使用NULL零大小的区域定义终止，并且数组中定义的存储区域必须按地址顺序出现，从低地址到高地址。 以下源代码片段提供了一个示例。 MSVC Win32仿真器演示还使用了heap_5，因此可以用作参考。

/* Allocate two blocks of RAM for use by the heap. The first is a block of

0x10000 bytes starting from address 0x80000000, and the second a block of

0xa0000 bytes starting from address 0x90000000. The block starting at

0x80000000 has the lower start address so appears in the array fist. */

const HeapRegion_t xHeapRegions[] =

{

{ ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 },

{ ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 },

{ NULL, 0 } /* Terminates the array. */

};

/* Pass the array into vPortDefineHeapRegions(). */

vPortDefineHeapRegions( xHeapRegions );

Initialising heap_5 after defining the memory blocks to be used by the heap

xPortGetFreeHeapSize（）API函数返回调用该函数时仍未分配的堆空间总量，并且
xPortGetMinimumEverFreeHeapSize（）API函数返回FreeRTOS应用程序已启动的系统中已存在的最小可用堆空间。 这两个函数均未提供有关如何将未分配的内存分成较小的块的信息。

vPortGetHeapStats（）API函数提供了有关堆状态的其他信息。（
https://www.freertos.org/a00111.html#xPortGetFreeHeapSize）