韦东山freeRTOS系列教程之【第二章】内存管理

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2.1 为什么要自己实现内存管理

后续的章节涉及这些内核对象:task、queue、semaphores和event group等。为了让FreeRTOS更容易使用,这些内核对象一般都是动态分配:用到时分配,不使用时释放。使用内存的动态管理功能,简化了程序设计:不再需要小心翼翼地提前规划各类对象,简化API函数的涉及,甚至可以减少内存的使用。

内存的动态管理是C程序的知识范畴,并不属于FreeRTOS的知识范畴,但是它跟FreeRTOS关系是如此紧密,所以我们先讲解它。

在C语言的库函数中,有mallc、free等函数,但是在FreeRTOS中,它们不适用:

  • 不适合用在资源紧缺的嵌入式系统中
  • 这些函数的实现过于复杂、占据的代码空间太大
  • 并非线程安全的(thread-safe)
  • 运行有不确定性:每次调用这些函数时花费的时间可能都不相同
  • 内存碎片化
  • 使用不同的编译器时,需要进行复杂的配置
  • 有时候难以调试

注意:我们经常"堆栈"混合着说,其实它们不是同一个东西:

  • 堆,heap,就是一块空闲的内存,需要提供管理函数
    • malloc:从堆里划出一块空间给程序使用
    • free:用完后,再把它标记为"空闲"的,可以再次使用
  • 栈,stack,函数调用时局部变量保存在栈中,当前程序的环境也是保存在栈中
    • 可以从堆中分配一块空间用作栈

在这里插入图片描述

2.2 FreeRTOS的5种内存管理方法

FreeRTOS中内存管理的接口函数为:pvPortMalloc 、vPortFree,对应于C库的malloc、free。

文件在FreeRTOS/Source/portable/MemMang下,它也是放在portable目录下,表示你可以提供自己的函数。

源码中默认提供了5个文件,对应内存管理的5种方法。

参考文章:FreeRTOS说明书吐血整理【适合新手+入门】

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 可解决碎片问题、时间不定
heap_5.c 在heap_4基础上支持分隔的内存块 可解决碎片问题、时间不定

2.2.1 Heap_1

它只实现了pvPortMalloc,没有实现vPortFree。

如果你的程序不需要删除内核对象,那么可以使用heap_1:

  • 实现最简单
  • 没有碎片问题
  • 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

它的实现原理很简单,首先定义一个大数组:

/* 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,对于pvPortMalloc调用时,从这个数组中分配空间。

FreeRTOS在创建任务时,需要2个内核对象:task control block(TCB)、stack。

使用heap_1时,内存分配过程如下图所示:

  • A:创建任务之前整个数组都是空闲的
  • B:创建第1个任务之后,蓝色区域被分配出去了
  • C:创建3个任务之后的数组使用情况

在这里插入图片描述

2.2.2 Heap_2

Heap_2之所以还保留,只是为了兼容以前的代码。新设计中不再推荐使用Heap_2。建议使用Heap_4来替代Heap_2,更加高效。

Heap_2也是在数组上分配内存,跟Heap_1不一样的地方在于:

  • Heap_2使用最佳匹配算法(best fit)来分配内存
  • 它支持vPortFree

最佳匹配算法:

  • 假设heap有3块空闲内存:5字节、25字节、100字节
  • pvPortMalloc想申请20字节
  • 找出最小的、能满足pvPortMalloc的内存:25字节
  • 把它划分为20字节、5字节
    • 返回这20字节的地址
    • 剩下的5字节仍然是空闲状态,留给后续的pvPortMalloc使用

与Heap_4相比,Heap_2不会合并相邻的空闲内存,所以Heap_2会导致严重的"碎片化"问题。

但是,如果申请、分配内存时大小总是相同的,这类场景下Heap_2没有碎片化的问题。所以它适合这种场景:频繁地创建、删除任务,但是任务的栈大小都是相同的(创建任务时,需要分配TCB和栈,TCB总是一样的)。

虽然不再推荐使用heap_2,但是它的效率还是远高于malloc、free。

使用heap_2时,内存分配过程如下图所示:

  • A:创建了3个任务
  • B:删除了一个任务,空闲内存有3部分:顶层的、被删除任务的TCB空间、被删除任务的Stack空间
  • C:创建了一个新任务,因为TCB、栈大小跟前面被删除任务的TCB、栈大小一致,所以刚好分配到原来的内存

在这里插入图片描述

2.2.3 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。

2.2.4 Heap_4

跟Heap_1、Heap_2一样,Heap_4也是使用大数组来分配内存。

Heap_4使用首次适应算法(first fit)来分配内存。它还会把相邻的空闲内存合并为一个更大的空闲内存,这有助于较少内存的碎片问题。

首次适应算法:

  • 假设堆中有3块空闲内存:5字节、200字节、100字节
  • pvPortMalloc想申请20字节
  • 找出第1个能满足pvPortMalloc的内存:200字节
  • 把它划分为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,留给后续的pvPortMalloc使用

Heap_4会把相邻空闲内存合并为一个大的空闲内存,可以较少内存的碎片化问题。适用于这种场景:频繁地分配、释放不同大小的内存。

Heap_4的使用过程举例如下:

  • A:创建了3个任务
  • B:删除了一个任务,空闲内存有2部分:
    • 顶层的
    • 被删除任务的TCB空间、被删除任务的Stack空间合并起来的
  • C:分配了一个Queue,从第1个空闲块中分配空间
  • D:分配了一个User数据,从Queue之后的空闲块中分配
  • E:释放的Queue,User前后都有一块空闲内存
  • F:释放了User数据,User前后的内存、User本身占据的内存,合并为一个大的空闲内存

在这里插入图片描述

Heap_4执行的时间是不确定的,但是它的效率高于标准库的malloc、free。

2.2.5 Heap_5

Heap_5分配内存、释放内存的算法跟Heap_4是一样的。

相比于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。

在嵌入式系统中,内存的地址可能并不连续,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

怎么指定一块内存?使用如下结构体:

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

怎么指定多块内存?使用一个HeapRegion_t数组,在这个数组中,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 } // 表示数组结束
 };

vPortDefineHeapRegions函数原型如下:

void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions );

把xHeapRegions数组传给vPortDefineHeapRegions函数,即可初始化Heap_5。

2.3 Heap相关的函数

2.3.1 pvPortMalloc/vPortFree

函数原型:

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );	// 分配内存,如果分配内存不成功,则返回值为NULL。
void vPortFree( void * pv );	// 释放内存

作用:分配内存、释放内存。

如果分配内存不成功,则返回值为NULL。

2.3.2 xPortGetFreeHeapSize

函数原型:

size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

当前还有多少空闲内存,这函数可以用来优化内存的使用情况。比如当所有内核对象都分配好后,执行此函数返回2000,那么configTOTAL_HEAP_SIZE就可减小2000。

注意:在heap_3中无法使用。

2.3.3 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

函数原型:

size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );

返回:程序运行过程中,空闲内存容量的最小值。

注意:只有heap_4、heap_5支持此函数。

2.3.4 malloc失败的钩子函数

在pvPortMalloc函数内部:

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

所以,如果想使用这个钩子函数:

  • 在FreeRTOSConfig.h中,把configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK定义为1
  • 提供vApplicationMallocFailedHook函数
  • pvPortMalloc失败时,才会调用此函数

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韦东山

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