韋東山freeRTOS系列教程之內(nèi)存管理(2)

文章目錄

• 教程目錄
• 2.1 為什么要自己實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理
• 2.2 FreeRTOS的5種內(nèi)存管理方法
  • 2.2.1 Heap_1
  • 2.2.2 Heap_2
  • 2.2.3 Heap_3
  • 2.2.4 Heap_4
  • 2.2.5 Heap_5
• 2.3 Heap相關(guān)的函數(shù)
  • 2.3.1 pvPortMalloc/vPortFree
  • 2.3.2 xPortGetFreeHeapSize
  • 2.3.3 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize
  • 2.3.4 malloc失敗的鉤子函數(shù)

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教程目錄

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2.1 為什么要自己實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理

后續(xù)的章節(jié)涉及這些內(nèi)核對象：task、queue、semaphores和event group等。為了讓FreeRTOS更容易使用，這些內(nèi)核對象一般都是動態(tài)分配：用到時分配，不使用時釋放。使用內(nèi)存的動態(tài)管理功能，簡化了程序設(shè)計(jì)：不再需要小心翼翼地提前規(guī)劃各類對象，簡化API函數(shù)的涉及，甚至可以減少內(nèi)存的使用。

內(nèi)存的動態(tài)管理是C程序的知識范疇，并不屬于FreeRTOS的知識范疇，但是它跟FreeRTOS關(guān)系是如此緊密，所以我們先講解它。

在C語言的庫函數(shù)中，有mallc、free等函數(shù)，但是在FreeRTOS中，它們不適用：

• 不適合用在資源緊缺的嵌入式系統(tǒng)中
• 這些函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜、占據(jù)的代碼空間太大
• 并非線程安全的(thread-safe)
• 運(yùn)行有不確定性：每次調(diào)用這些函數(shù)時花費(fèi)的時間可能都不相同
• 內(nèi)存碎片化
• 使用不同的編譯器時，需要進(jìn)行復(fù)雜的配置
• 有時候難以調(diào)試

注意：我們經(jīng)常"堆棧"混合著說，其實(shí)它們不是同一個東西：

• 堆，heap，就是一塊空閑的內(nèi)存，需要提供管理函數(shù)
  • malloc：從堆里劃出一塊空間給程序使用
  • free：用完后，再把它標(biāo)記為"空閑"的，可以再次使用
• 棧，stack，函數(shù)調(diào)用時局部變量保存在棧中，當(dāng)前程序的環(huán)境也是保存在棧中
  • 可以從堆中分配一塊空間用作棧

2.2 FreeRTOS的5種內(nèi)存管理方法

FreeRTOS中內(nèi)存管理的接口函數(shù)為：pvPortMalloc 、vPortFree，對應(yīng)于C庫的malloc、free。

文件在FreeRTOS/Source/portable/MemMang下，它也是放在portable目錄下，表示你可以提供自己的函數(shù)。

源碼中默認(rèn)提供了5個文件，對應(yīng)內(nèi)存管理的5種方法。

參考文章：FreeRTOS說明書吐血整理【適合新手+入門】

2.2.1 Heap_1

它只實(shí)現(xiàn)了pvPortMalloc，沒有實(shí)現(xiàn)vPortFree。

如果你的程序不需要刪除內(nèi)核對象，那么可以使用heap_1：

• 實(shí)現(xiàn)最簡單
• 沒有碎片問題
• 一些要求非常嚴(yán)格的系統(tǒng)里，不允許使用動態(tài)內(nèi)存，就可以使用heap_1

它的實(shí)現(xiàn)原理很簡單，首先定義一個大數(shù)組：

/* Allocate the memory for the heap. */
#if ( configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP == 1 )

/* The application writer has already defined the array used for the RTOS
* heap - probably so it can be placed in a special segment or address. */
    extern uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
#else
    static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
#endif /* configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP */

然后，對于pvPortMalloc調(diào)用時，從這個數(shù)組中分配空間。

FreeRTOS在創(chuàng)建任務(wù)時，需要2個內(nèi)核對象：task control block(TCB)、stack。

使用heap_1時，內(nèi)存分配過程如下圖所示：

• A：創(chuàng)建任務(wù)之前整個數(shù)組都是空閑的
• B：創(chuàng)建第1個任務(wù)之后，藍(lán)色區(qū)域被分配出去了
• C：創(chuàng)建3個任務(wù)之后的數(shù)組使用情況

2.2.2 Heap_2

Heap_2之所以還保留，只是為了兼容以前的代碼。新設(shè)計(jì)中不再推薦使用Heap_2。建議使用Heap_4來替代Heap_2，更加高效。

Heap_2也是在數(shù)組上分配內(nèi)存，跟Heap_1不一樣的地方在于：

• Heap_2使用最佳匹配算法(best fit)來分配內(nèi)存
• 它支持vPortFree

最佳匹配算法：

• 假設(shè)heap有3塊空閑內(nèi)存：5字節(jié)、25字節(jié)、100字節(jié)
• pvPortMalloc想申請20字節(jié)
• 找出最小的、能滿足pvPortMalloc的內(nèi)存：25字節(jié)
• 把它劃分為20字節(jié)、5字節(jié)
  • 返回這20字節(jié)的地址
  • 剩下的5字節(jié)仍然是空閑狀態(tài)，留給后續(xù)的pvPortMalloc使用

與Heap_4相比，Heap_2不會合并相鄰的空閑內(nèi)存，所以Heap_2會導(dǎo)致嚴(yán)重的"碎片化"問題。

但是，如果申請、分配內(nèi)存時大小總是相同的，這類場景下Heap_2沒有碎片化的問題。所以它適合這種場景：頻繁地創(chuàng)建、刪除任務(wù)，但是任務(wù)的棧大小都是相同的(創(chuàng)建任務(wù)時，需要分配TCB和棧，TCB總是一樣的)。

雖然不再推薦使用heap_2，但是它的效率還是遠(yuǎn)高于malloc、free。

使用heap_2時，內(nèi)存分配過程如下圖所示：

• A：創(chuàng)建了3個任務(wù)
• B：刪除了一個任務(wù)，空閑內(nèi)存有3部分：頂層的、被刪除任務(wù)的TCB空間、被刪除任務(wù)的Stack空間
• C：創(chuàng)建了一個新任務(wù)，因?yàn)門CB、棧大小跟前面被刪除任務(wù)的TCB、棧大小一致，所以剛好分配到原來的內(nèi)存

2.2.3 Heap_3

Heap_3使用標(biāo)準(zhǔn)C庫里的malloc、free函數(shù)，所以堆大小由鏈接器的配置決定，配置項(xiàng)configTOTAL_HEAP_SIZE不再起作用。

C庫里的malloc、free函數(shù)并非線程安全的，Heap_3中先暫停FreeRTOS的調(diào)度器，再去調(diào)用這些函數(shù)，使用這種方法實(shí)現(xiàn)了線程安全。

2.2.4 Heap_4

跟Heap_1、Heap_2一樣，Heap_4也是使用大數(shù)組來分配內(nèi)存。

Heap_4使用首次適應(yīng)算法(first fit)來分配內(nèi)存。它還會把相鄰的空閑內(nèi)存合并為一個更大的空閑內(nèi)存，這有助于較少內(nèi)存的碎片問題。

首次適應(yīng)算法：

• 假設(shè)堆中有3塊空閑內(nèi)存：5字節(jié)、200字節(jié)、100字節(jié)
• pvPortMalloc想申請20字節(jié)
• 找出第1個能滿足pvPortMalloc的內(nèi)存：200字節(jié)
• 把它劃分為20字節(jié)、180字節(jié)
  • 返回這20字節(jié)的地址
  • 剩下的180字節(jié)仍然是空閑狀態(tài)，留給后續(xù)的pvPortMalloc使用

Heap_4會把相鄰空閑內(nèi)存合并為一個大的空閑內(nèi)存，可以較少內(nèi)存的碎片化問題。適用于這種場景：頻繁地分配、釋放不同大小的內(nèi)存。

Heap_4的使用過程舉例如下：

• A：創(chuàng)建了3個任務(wù)
• B：刪除了一個任務(wù)，空閑內(nèi)存有2部分：
  • 頂層的
  • 被刪除任務(wù)的TCB空間、被刪除任務(wù)的Stack空間合并起來的
• C：分配了一個Queue，從第1個空閑塊中分配空間
• D：分配了一個User數(shù)據(jù)，從Queue之后的空閑塊中分配
• E：釋放的Queue，User前后都有一塊空閑內(nèi)存
• F：釋放了User數(shù)據(jù)，User前后的內(nèi)存、User本身占據(jù)的內(nèi)存，合并為一個大的空閑內(nèi)存

Heap_4執(zhí)行的時間是不確定的，但是它的效率高于標(biāo)準(zhǔn)庫的malloc、free。

2.2.5 Heap_5

Heap_5分配內(nèi)存、釋放內(nèi)存的算法跟Heap_4是一樣的。

相比于Heap_4，Heap_5并不局限于管理一個大數(shù)組：它可以管理多塊、分隔開的內(nèi)存。

在嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)存的地址可能并不連續(xù)，這種場景下可以使用Heap_5。

既然內(nèi)存是分隔開的，那么就需要進(jìn)行初始化：確定這些內(nèi)存塊在哪、多大：

• 在使用pvPortMalloc之前，必須先指定內(nèi)存塊的信息
• 使用vPortDefineHeapRegions來指定這些信息

怎么指定一塊內(nèi)存？使用如下結(jié)構(gòu)體：

typedef struct HeapRegion
{
    uint8_t * pucStartAddress; // 起始地址
    size_t xSizeInBytes;       // 大小
} HeapRegion_t;

怎么指定多塊內(nèi)存？使用一個HeapRegion_t數(shù)組，在這個數(shù)組中，低地址在前、高地址在后。

比如：

HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{
  { ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 }, // 起始地址0x80000000，大小0x10000
  { ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 }, // 起始地址0x90000000，大小0xa0000
  { NULL, 0 } // 表示數(shù)組結(jié)束
 };

vPortDefineHeapRegions函數(shù)原型如下：

void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions );

把xHeapRegions數(shù)組傳給vPortDefineHeapRegions函數(shù)，即可初始化Heap_5。

2.3 Heap相關(guān)的函數(shù)

2.3.1 pvPortMalloc/vPortFree

函數(shù)原型：

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );	// 分配內(nèi)存，如果分配內(nèi)存不成功，則返回值為NULL。
void vPortFree( void * pv );	// 釋放內(nèi)存

作用：分配內(nèi)存、釋放內(nèi)存。

如果分配內(nèi)存不成功，則返回值為NULL。

2.3.2 xPortGetFreeHeapSize

函數(shù)原型：

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

當(dāng)前還有多少空閑內(nèi)存，這函數(shù)可以用來優(yōu)化內(nèi)存的使用情況。比如當(dāng)所有內(nèi)核對象都分配好后，執(zhí)行此函數(shù)返回2000，那么configTOTAL_HEAP_SIZE就可減小2000。

注意：在heap_3中無法使用。

2.3.3 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

函數(shù)原型：

size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );

返回：程序運(yùn)行過程中，空閑內(nèi)存容量的最小值。

注意：只有heap_4、heap_5支持此函數(shù)。

2.3.4 malloc失敗的鉤子函數(shù)

在pvPortMalloc函數(shù)內(nèi)部：

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )
{
    ......
    #if ( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )
        {
            if( pvReturn == NULL )
            {
                extern void vApplicationMallocFailedHook( void );
                vApplicationMallocFailedHook();
            }
        }
    #endif
    
    return pvReturn;        
}

所以，如果想使用這個鉤子函數(shù)：

• 在FreeRTOSConfig.h中，把configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK定義為1
• 提供vApplicationMallocFailedHook函數(shù)
• pvPortMalloc失敗時，才會調(diào)用此函數(shù)?