FreeRTOS的内存管理

一、FreeRTOS的内存管理方式

在FreeRTOS源码中，共有5个关于内存管理的文件，分别对应内存管理的5种方式，它们是heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c。

heap的意思是“堆”，堆就是一块空闲的内存，需要提供管理函数。在C语言中，有malloc与free函数，malloc函数的作用就是从堆里划分出一块空间给程序使用，而free函数的作用是将用完的内存标记为“空闲”，以便下次再用。

与之对应的是“栈”，函数调用时将局部变量保存在栈中，包括当前程序的环境也是保存在栈中，可以从堆中分配一段空间用作栈。

在FreeRTOS中内存管理的接口函数为pvPortMalloc，vPortFree，对应C库的malloc、free。文件在portable目录下，表示你可以提供自己的函数。

二、5种内存管理方式的优缺点 

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	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	解决碎片问题，时间不定

在实际应用中，heap_4是最常用的内存管理方法。

三、5种内存管理方法的学习理解

1、heap_1

heap_1适用于程序不需要删除内核对象的场景，这是因为它只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree。它的实现最简单，没有碎片问题，在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、heap_2

heap_2还在使用是为了兼容以前的代码，新设计中都是使用heap_4来替代heap_2，更加高效。

heap_2也是在数组上分配内存，和heap_1不一样的是它支持了最佳匹配算法来分配内存，同时它支持了vPortFree。那么什么是最佳匹配算法呢？假设heap有3块空闲内存：5字节、25字节、100字节，vPortMalloc想申请20字节，算法就会负责找出最小同时还能满足申请的字节（这个例子里是25字节），把它划分为20字节和5字节，20字节给申请使用，5字节仍是空闲状态，留给后续使用。

heap_2的缺点是不会合并相邻的空闲内存，所以会导致严重的碎片化问题。同样的，它却适用于频繁的创建、删除任务，前提是任务的栈的大小都是相同的。

3、heap_3

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。

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。

4、heap_4

heap_4使用首次适应算法来分配内存，还会把相邻的空闲内存合并为一个较大的空闲内存，这有助于较小内存的碎片问题。

举例说明以下首次适应算法：假设堆中有3块空闲内存，分别是5字节、200字节、100字节。pv       PortMalloc想申请20字节，找出第一个满足20字节的内存（200字节），把它划分成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，以便后续使用。

heap_4的合并相邻内存的功能使用以下场景：频繁的分配、释放不同大小的内存。

5、heap_5

heap_5分配内存、释放内存的算法和heap_4是一样的，相对于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。当内存的地址并不连续时，这种场景下可以使用heap_5

既然内存是分隔开的，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