FreeRTOS_01_堆内存管理

最新推荐文章于 2024-05-14 17:21:40 发布

qq_43199924

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分类专栏： RTOS 文章标签： c语言单片机

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FreeRTOS提供了heap_1至heap_5五种堆内存管理方式，各有优缺点。heap_1只分配不释放，适用于特定场景；heap_2采用最佳适应算法，可能导致外碎片；heap_3基于C标准库，线程安全但较慢；heap_4和heap_5是首次适应算法，heap_5支持多块RAM。内存管理的选择取决于具体应用需求。

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为什么要进行内存管理？

FreeRTOS以下简称OS，是一个实时操作系统，在运行会时创建许多不同的线程。对于每一个线程的创建，OS需要进行管理，要保留线程的TCB线程控制块和Stack存储运行的上下文。OS是由C语言写的，标准C库的内存分配有malloc和free函数，直接使用这两个函数是不安全的——在分配内存的过程中发生了线程抢占丢失上下文，因此需要在分配内存时临时关断线程调度。OS把基于标准C库的malloc和free进行了封装，取名时heap_3，还有其它五种分配方法，他们的命名都是heap_x的格式。对于内存管理，学过操作系统这门课的小伙伴，知道有最佳适应算法，首次适应算法等，这些都能在OS中找到足迹。

OS的五种分配的优缺点以及如何选择

heap_1 - 最简单的堆分配，只分配不释放

在某些专用的使用场景下，任务只会被创建，不用释放。在这种情况下，内存只会在应用要使用实时功能时才会被内核动态分配，内存只分配不清除，在整个应用生命中一直维持。
值得注意的是，虽然内核是动态分配的，但是除了heap_3之外，其它四种方法都要提前静态声明大段的内存空间，也就是说无论你用不用，内存都已经先被占用了。
下面是heap_4.c的代码片段，其中configTOTAL_HEAP_SIZE是FreeRTOSConfig.h头文件中的内容，用来指定开辟heap的大小，在使用heap_3时，是无效的。

#define configTOTAL_HEAP_SIZE					( ( size_t ) ( 20 * 1024 ) )
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

heap_1简单暴力，速度快。没有内存释放，自然不会带来内存碎片的问题。

heap_2 - 最佳适应算法（不推荐使用）

官方指引中评价是，heap_2的兼容性好，但是不建议用来做新的产品。

简单介绍一下什么是最佳适应算法。
假设提前静态声明的数组中，由三段未分配的区域（A，B，C（地址从小到大）），A区大小是20，B区大小是50，C区大小是30。
现在要分配一个大小是25的空间，按照最佳适应算法，他将分配到C区，理由是最佳适应算法每次挑选大小能装得下并且最小的区域。
而如果是首次适应算法，他将分配到B区，理由是首次适应算法每次挑选大小能装得下的地址低的区域。

在该最佳适应算法的例子中，分配到了C区，因此C区分配完后，还有大小为5的空间，带来的问题是内存分配的外碎片，这些空间几乎不能利用，而用这个算法，可能会出现许许多多的小外碎片。

针对外碎片的问题，如果分配的内存大小都是一致的，那么就不存在外碎片的问题，（但是可能产生内碎片）。

heap_3 - C标准库的方法

C标准库的方法就是malloc和free，它们的实现由链接器（linker）定义。为了保证线程的安全，heap_3在分配内存时会临时的关闭线程调度。C标准库不用开辟打断的静态空间，但是代价是运行速度是五个方法中最慢的。

heap_4 - 首次适应算法

这应该是OS中使用最多的内存分配算法。
首次适应算法不会产生许多的小外碎片，因此进行内存的相邻合并就有其意义。注意heap_2中不会进行相邻内存的合并。
操作系统的内存分配通常需要用内部RAM，以提高操运行的速度。在OS适配的环境，默认设置就是内部RAM，不需要手动更改。

heap_5 - 首次适应算法2 - 零碎的RAM

与heap_4的分配内存逻辑是完全相同的，区别在于，heap_5用于多个的RAM，不能用单一的静态数组囊括需要的内存空间，需要多维数组，来描述：

typedef struct HeapRegion
{
/* The start address of a block of memory that will be part of the heap.*/
uint8_t *pucStartAddress;
/* The size of the block of memory in bytes. */
size_t xSizeInBytes;
} HeapRegion_t;

/* Define the start address and size of the three RAM regions. */
#define RAM1_START_ADDRESS ( ( uint8_t * ) 0x00010000 )
#define RAM1_SIZE ( 65 * 1024 )
#define RAM2_START_ADDRESS ( ( uint8_t * ) 0x00020000 )
#define RAM2_SIZE ( 32 * 1024 )
#define RAM3_START_ADDRESS ( ( uint8_t * ) 0x00030000 )
#define RAM3_SIZE ( 32 * 1024 )
/* Create an array of HeapRegion_t definitions, with an index for each of the three
RAM regions, and terminating the array with a NULL address. The HeapRegion_t
structures must appear in start address order, with the structure that contains the
lowest start address appearing first. */
const HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{
	{ RAM1_START_ADDRESS, RAM1_SIZE },
	{ RAM2_START_ADDRESS, RAM2_SIZE },
	{ RAM3_START_ADDRESS, RAM3_SIZE },
	{ NULL, 0 } /* Marks the end of the array. */
};
int main( void )
{
	/* Initialize heap_5. */
	vPortDefineHeapRegions( xHeapRegions );
	/* Add application code here. */
}