聊聊FreeRTOS內存管理方案及相關的優(yōu)化措施

FreeRTOS 作為一個嵌入式實時操作系統(tǒng)，其運行的環(huán)境一般資源有限，特別是其內存資源，可能只有幾 M，甚至是幾十 KB。針對不同的應用場景，FreeRTOS 源碼中提供了 5 種內存管理方案。本文就來聊聊這些內存管理方案以及相關的優(yōu)化措施。

內存管理相關的代碼在 lib/FreeRTOS/portable/MemMang 目錄下，從 heap_1.c 到 heap_5.c，文件相互獨立，并提供統(tǒng)一接口：

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

而 heap 的定義，可以是一塊靜態(tài)分配的數組作為 heap，也可以是指定的一塊區(qū)域作為 heap，本文就以靜態(tài)數組為例進行講解。

#if( configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP == 1)
extern uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
#else
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
#endif

實際上，內存釋放接口并不一定都有效，因為 heap_1 方案是不支持內存釋放的。在 heap_1 中調用 pvPortMalloc() 的時候，其具體實現如下所示：

pucAligendHeap: 對齊后的 heap 起始地址。

xNextFreeByte: 記錄下一次分配內存的偏移值，實際就是已分配內存的總大小。

pvReturn = pucAlignedHeap + xNextFreeByte;
xNextFreeByte += xWantedSize;

每次分配的時候，返回 pucAligendHeap + xNextFreeByte 的地址，然后更新 xNextFreeByte。當然了，整個分配過程中，還有一些對齊操作。由于分配后的內存不能進行釋放，所以這種分配方案適用于不需要頻繁申請釋放內存的場景。

相對于 heap_1 方案，在 heap_2 中增加了內存釋放的函數。其實現是在每一次分配的內存中增加了一些描述信息（也就是多分配一個結構體大小的內存，用于保存描述信息），這樣在釋放的時候，就可以根據這些信息回收內存。

typedef struct A_BLOCK_LINK {
    struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock;
    size_t xBlockSize;
} BlockLink_t;

static const uint16_t heapSTRUCT_SIZE = (( sizeof( BlockLink_t ) + ( portBYTE_ALIGNMENT - 1 )) & ~portBYTE_ALIGNMENT_MASK );

xWantedSize += heapSTRUCT_SIZE;  /*每次分配的時候自動加上描述結構體的大小*/

描述信息結構體中包含了一個鏈表指針，用于在釋放的時候，將該內存加入到空閑鏈表中，每次分配內存實際就是從空閑鏈表上進行分配（初始狀態(tài)，整個鏈表除了頭尾，就一個成員，就是整個空閑的 heap 塊）。xBlockSize 用于描述分配內存的大小。

其中，xStart 和 xEnd 是空閑鏈的頭尾節(jié)點。初始狀態(tài)時，整個 heap 就是一個空閑塊。分配的時候，從頭遍歷空閑鏈，找到第一個滿足大小的塊，也就是最先匹配原則（first fit），從中分裂出所需的大小，然后將剩余的插入到空閑鏈中。而釋放就是將其插入到空閑鏈中。

需要注意的是，插入空閑鏈中，都是升序排列的，也就是說在分配的時候，最先滿足的塊也是最優(yōu)的塊（best fit），可以減少碎片的產生。從實現來看，heap_2 雖然添加了釋放內存函數，但其在插入到空閑鏈的時候，沒有對相鄰的塊進行合并，所以 heap_2 適用于操作固定大小內存的場景。

heap_3 的方案沒有基于 heap_2 進行優(yōu)化，而是直接使用 libc 庫中 malloc() / free() 接口，所以這里就不多做介紹。

事實上，相鄰塊合并功能是在 heap_4 中引入的。在將空閑塊插入到鏈表的時候，會判斷是否有空閑塊是相鄰的，如果相鄰就合并成一個更大的空閑塊，就能減少碎片的產生，進而更適用于一般的內存分配和釋放場景。注意 heap_4 在插入空閑鏈的時候，不再是升序排列，而是根據地址大小進行排列，這樣便于判斷量表中前后兩個塊是否相鄰。

heap_5 相對于 heap_4 方案并沒有進行算法上的優(yōu)化，它添加了一個接口可以指定某個內存塊作為 heap。

void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pRegions );

在前幾種內存管理方案中，除了 heap_3，內存塊都是靜態(tài)分配的。而在 heap_5 中 heap 不再是靜態(tài)定義的全局變量，而是需要顯示指定的一塊內存區(qū)域作為 heap。這樣的好處就是，heap 的來源更加靈活，可以是和運行空間不連續(xù)的一塊內存，也可以將多個不連續(xù)的內存塊作為 heap 進行管理。

以上就介紹了 FreeRTOS 中原生的 5 種內存管理方案。可以看出，后面的內存管理方案對前面的管理方案是兼容的，比如 heap_5 可以替代 heap_1, heap_2 和 heap_4 方案。這里可能就有個疑問了，為什么不直接用 heap_5 方案呢？更豐富的功能，意味著復雜的一些實現，在一些簡單的場景中，heap_5 分配速度可能沒有 heap_1 或者 heap_2 來得快，所以 heap_1，heap_2 等方案也有其存在的意義。

在實際場景中，比如隨機的分配和釋放，而且分配的大小也不一致，這個時候，一般會選擇 heap_4。heap_4 引入了內存合并功能，可以減少內存碎片，但和 heap_2 相比，也把最優(yōu)匹配的原則去掉了。如下圖所示：

當要分配一個 32Bytes 的內存（經過對齊等處理后的大?。凑?heap_4 的分配方案，最先匹配原則，會從 56Bytes 大小的塊中分配一個32Bytes 出去，而不是從第二個空閑塊，剛剛好是 32Bytes 的塊中分配。這樣的分配方法就會產生碎片。碎片多了就會導致空閑內存看似很多，但大的內存塊已經沒有了。

優(yōu)化的辦法也很簡單，就是遍歷整個空閑鏈表，找到最優(yōu)的一個塊，其修改方法就是在原來 first fit 的基礎上，遍歷剩余的鏈表：

/* first fit */
while ((pxBlock- >xBlockSize < xWantedSize) && (pxBlock- >pxNextFreeBlock != NULL))
{
   pxPreviousBlock = pxBlock;
   pxBlock = pxBlock- >pxNextFreeBlock;
}
/* best fit */
BlockLink_t *pxTmp = pxBlock;
BlockLink_t *pxPreTmp = pxPreviousBlock;while (pxTmp != pxEnd){
   if ((pxTmp- >xBlockSize >= xWantedSize) && (pxTmp- >xBlockSize < pxBlock- >xBlockSize))
  {
       pxBlock = pxTmp;
       pxPreviousBlock = pxPreTmp;
  }
   pxPreTmp = pxTmp;
   pxTmp = pxTmp- >pxNextFreeBlock;
}

最優(yōu)匹配的引入，不是一定就比原來的方案效果要好，因為遍歷整個空閑鏈表，會導致分配內存的時間變長。這在某些對實時要求較高的環(huán)境中就不適應了，比如在一些網絡環(huán)境中可能會因為超時而導致功能不正常。

其實分配快，內存碎片少的方法有很多，只是他們的實現成本會有所不同，一個算法不可能適用所有的場景，分配方案中也沒有哪個比哪個一定更好，找到適合應用場景的就是好的算法。這也許就是 FreeRTOS 中保留了多種分配方案的原因吧。