FreeRTOS之内存管理

1. FreeRTOS内存管理简介

1.1 核心功能与设计目标

• FreeRTOS的内存管理模块是操作系统的核心组件，专为嵌入式实时系统优化，提供以下核心能力：

        • 动态内存分配：允许任务在运行时按需申请内存（如创建任务、队列、信号量等）。

        • 静态内存分配：编译时预分配固定内存区域，避免运行时开销（适用于资源受限设备）。

        • 碎片控制：通过合并相邻空闲内存块降低碎片风险。

1.2 为何不使用C库的malloc/free？

• 尽管C库函数通用，但在嵌入式场景中存在致命缺陷：

1. 线程不安全：标准库未考虑多任务竞争，可能引发数据错乱（如两个任务同时申请内存）。

2. 确定性差：执行时间不可预测，影响实时性。

3. 内存碎片：频繁分配释放导致内存被分割成小块，最终无法分配大块内存（例如连续申请不同大小的任务栈）。

4. 代码臃肿：标准库实现复杂，占用过多Flash空间（例如某些C库malloc代码量超过10KB）。

5. 硬件适配差：无法针对特定硬件优化（如STM32的CCM高速内存区）。

2. FreeRTOS内存管理算法

2.1 五大算法对比

算法	优点	缺点
heap_1	分配简单，时间确定	只允许申请内存，不允许释放内存
heap_2	允许申请和释放内存	不能合并相邻的空闲内存块会产生碎片、时间不定
heap_3	直接调用C库函数malloc()和 free() ，简单	速度慢、时间不定
heap_4	相邻空闲内存可合并，减少内存碎片的产生	时间不定
heap_5	能够管理多个非连续内存区域的heap_4	时间不定

2.2 FreeRTOS内存管理算法的深度解析

1. Heap_1：单次分配，永不回收。

 • 如图

 • 核心机制：

 • heap_1是FreeRTOS最简单的内存管理算法，通过预定义的静态数组     ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE] 实现线性分配。所有内存请求按顺序从数组起始地址递增分配，不支持内存释放，仅适用于初始化阶段创建对象后永不删除的场景。

 • 实现细节:

        • 内存池初始化：在首次调用 pvPortMalloc() 时，根据 portBYTE_ALIGNMENT 对齐数组首地址，确保分配的内存满足处理器对齐要求（如STM32需8字节对齐）。

        • 分配过程：记录当前分配位置 xNextFreeByte ，每次分配后直接递增指针。若剩余空间不足，返回 NULL并触发 vApplicationMallocFailedHook() 钩子函数。

• 局限性

        • 内存利用率低，无法回收已分配内存，长期运行可能导致内存耗尽。

2. Heap_2：使用最佳匹配算法，但内存碎片化严重。

 • 如图:

• 核心机制：

        •heap_2在Heap_1基础上增加了内存释放功能，采用最佳匹配算法（Best Fit）。空闲块通过链表管理，分配时选择最小且足够的空闲块，但不合并相邻空闲块，导致外部碎片积累。

• 实现细节:

        • 空闲块链表：使用BlockLink_t 结构维护空闲块，包含指向下一块的指针和块大小。

        • 分配策略:遍历链表找到最接近请求大小的块,分割剩余空间为新空闲块(若剩余空间足够）。

        • 释放策略：仅将释放块标记为空闲，不进行合并。

• 局限性

        • 长期运行后碎片化严重，无法分配连续大内存。

3. Heap_3：封装C库，兼容但低效

• 核心机制

        • heap_3直接调用标准C库的 malloc() 和 free() ，但通过挂起调度器实现线程安全。内存堆大小由链接器配置（如STM32的启动文件定义），与 configTOTAL_HEAP_SIZE 无关。

• 实现细节

        • 线程安全：在 pvPortMalloc() 和 vPortFree() 中调用 vTaskSuspendAll() 暂停任务调度。

        • 内存来源:依赖编译器的堆空间,可能分散在多个内存区域(如内部SRAM和外部SDRAM）。

• 局限性

        • 非确定性，分配/释放时间不可预测。

        • 标准库的碎片问题未解决，且代码体积大（如某些C库实现占用超10KB Flash）。

4. Heap_4：使用首次适应算法，也对碎片进行优化

• 如图

• 核心机制

• heap_4采用首次适应算法（First Fit）和空闲块合并机制。分配时从链表头部查找第一个足够大的块，释放时检查相邻块是否空闲并合并，显著减少碎片。

• 实现细节

        • 空闲块管理：链表按地址升序排列，释放时触发 prvInsertBlockIntoFreeList() 合并相邻块。

        • 内存标记：通过块头部的 xBlockSize 最高位标记是否空闲（0为空闲，1为已分配）。

        • 性能优化：支持动态调整空闲链表，减少遍历时间。

• 局限性

        • 内存必须连续，无法管理非连续物理内存（如多块SRAM）。

5. Heap_5：多区域管理的Heap_4增强版 。

• 核心机制

        • heap_5在Heap_4基础上扩展支持多块非连续内存区域。用户需预先定义HeapRegion_t 数组描述各内存块起始地址和大小，初始化时通过vPortDefineHeapRegions() 将其串联为逻辑连续空间。

• 实现细节

        • 多区域配置：

const HeapRegion_t xHeapRegions[] = {
    { (uint8_t*)0x20000000, 0x10000 }, // 内部RAM 64KB
    { (uint8_t*)0x60000000, 0x80000 }, // 外部SDRAM 512KB
    { NULL, 0 } // 结束标记
};
vPortDefineHeapRegions(xHeapRegions);

• 分配策略：与Heap_4相同，但支持跨区域分配。

• 局限性

        • 初始化复杂，需手动定义内存区域。

        • 合并算法跨区域效率较低。

• 总结与选型建议

        • 确定性优先：选择Heap_1（医疗设备、航天控制）。

        • 低碎片需求：首选Heap_4（通用IoT设备）。

        • 非连续内存：必须使用Heap_5（多核/大内存系统）。

        • 兼容性要求：考虑Heap_3（混合开发环境）。

3. FreeRTOS内存管理的函数

3.1 内存申请

void *pvPortMalloc(size_t xWantedSize);

• 参数：xWantedSize为请求字节数（自动对齐，如8字节对齐）。

• 返回值:成功返回内存首地址,失败返回NULL(可挂钩configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK处理)

• 示例：创建任务时自动调用此函数分配TCB和栈空间。

3.2 内存释放

void vPortFree(void *pv);

• 参数： pv 为 pvPortMalloc 返回的地址

• 注意：未释放内存会导致泄漏，需配合 xPortGetFreeHeapSize 监控

3.3 堆状态查询

size_t xPortGetFreeHeapSize(void); // 当前空闲内存
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize(void); // 历史最小空闲值

4. 实验

1. 动态创建两个任务：task1、task2，两个任务作用如下：

        • task1：检测按键；

        • task2：打印剩余空闲内存大小；

2. 检测到按键1按下，申请内存；检测到按键2按下，释放内存。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "led.h"
#include "freertos_test.h"
#include "key.h"
#include "uart1.h"

TaskHandle_t            task1_handle;   /* 任务句柄 */
TaskHandle_t            task2_handle;   /* 任务句柄 */



void task1(void *pvParameters)
{
    new_printf("task1创建成功，准备运行...\r\n");
    uint8_t key_num = 0;
    uint8_t *buf = NULL;
    while(1)
    {
       key_num = key_scan();
       if(key_num == 1){
            buf = pvPortMalloc(30);
            if(buf != NULL){
                new_printf("内存申请成功\r\n");
            }else {
                new_printf("内存申请失败\r\n");
            }
       
       }else if(key_num == 2){
            if(buf != NULL){
                vPortFree(buf);
                new_printf("内存释放成功\r\n");
                buf = NULL;
            }else {
                 new_printf("内存释放失败\r\n");
            }
       
       }
        
       vTaskDelay(10);
    }
}

void task2(void *pvParameters)
{
    new_printf("task2创建成功，准备运行...\r\n");
    while(1)
    {
        new_printf("剩余空闲内存是:%d\r\n",xPortGetFreeHeapSize());
       vTaskDelay(1000); 
    }
}



void freertos_test(void)
{
    xTaskCreate(task1,                  /* 任务函数 */
                "task1",                /* 任务名称 */
                128,                    /* 任务堆栈大小 */
                NULL,                   /* 传入给任务函数的参数 */
                1,                      /* 任务优先级 */
                &task1_handle);         /* 任务句柄 */

    xTaskCreate(task2,                  /* 任务函数 */
                "task2",                /* 任务名称 */
                128,                    /* 任务堆栈大小 */
                NULL,                   /* 传入给任务函数的参数 */
                1,                      /* 任务优先级 */
                &task2_handle);         /* 任务句柄 */
    
    
 
}