FreeRTOS 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。

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

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

FreeRTOS 5种内存管理方法

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

FreeRTOS 5种内存管理方法

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。

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

FreeRTOS 5种内存管理方法

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。

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。

既然内存时分隔开的,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。

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