FreeRTOS系列第25篇---FreeRTOS內(nèi)存管理分析

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ID：技術(shù)讓夢(mèng)想更偉大

整理：李肖遙

內(nèi)存管理對(duì)應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都非常重要。現(xiàn)在很多的程序漏洞和運(yùn)行崩潰都和內(nèi)存分配使用錯(cuò)誤有關(guān)。

FreeRTOS操作系統(tǒng)將內(nèi)核與內(nèi)存管理分開實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)內(nèi)核僅規(guī)定了必要的內(nèi)存管理函數(shù)原型，而不關(guān)心這些內(nèi)存管理函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的。

這樣做大有好處，可以增加系統(tǒng)的靈活性：不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以使用不同的內(nèi)存分配實(shí)現(xiàn)，選擇對(duì)自己更有利的內(nèi)存管理策略。

比如對(duì)于安全型的嵌入式系統(tǒng)，通常不允許動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，那么可以采用非常簡(jiǎn)單的內(nèi)存管理策略，一經(jīng)申請(qǐng)的內(nèi)存，甚至不允許被釋放。

在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，系統(tǒng)越簡(jiǎn)單越容易做的更安全。

再比如一些復(fù)雜應(yīng)用，要求動(dòng)態(tài)的申請(qǐng)、釋放內(nèi)存操作，那么也可以設(shè)計(jì)出相對(duì)復(fù)雜的內(nèi)存管理策略，允許動(dòng)態(tài)分配和動(dòng)態(tài)釋放。

「FreeRTOS內(nèi)核規(guī)定的幾個(gè)內(nèi)存管理函數(shù)原型為：」

void *pvPortMalloc( size_t xSize )?：內(nèi)存申請(qǐng)函數(shù)
void vPortFree( void *pv )?：內(nèi)存釋放函數(shù)
void vPortInitialiseBlocks( void )?：初始化內(nèi)存堆函數(shù)
size_t xPortGetFreeHeapSize( void )?：獲取當(dāng)前未分配的內(nèi)存堆大小
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void )：獲取未分配的內(nèi)存堆歷史最小值
FreeRTOS提供了5種內(nèi)存管理實(shí)現(xiàn)，有簡(jiǎn)單也有復(fù)雜的，可以應(yīng)用于絕大多數(shù)場(chǎng)合。

它們位于下載包目錄*...\FreeRTOS\Source\portable\MemMang*中,文件名分別為：heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c。

我在《FreeRTOS系列第8篇---FreeRTOS內(nèi)存管理》這篇文章中介紹了這5種內(nèi)存管理的特性以及各自應(yīng)用的場(chǎng)合，今天我們要分析它們的實(shí)現(xiàn)方法。

FreeRTOS提供的內(nèi)存管理都是從內(nèi)存堆中分配內(nèi)存的。默認(rèn)情況下，F(xiàn)reeRTOS內(nèi)核創(chuàng)建任務(wù)、隊(duì)列、信號(hào)量、事件組、軟件定時(shí)器都是借助內(nèi)存管理函數(shù)從內(nèi)存堆中分配內(nèi)存。

最新的FreeRTOS版本（V9.0.0及其以上版本）可以完全使用靜態(tài)內(nèi)存分配方法，也就是不使用任何內(nèi)存堆。

對(duì)于heap_1.c、heap_2.c和heap_4.c這三種內(nèi)存管理策略，內(nèi)存堆實(shí)際上是一個(gè)很大的數(shù)組，定義為：

static?uint8_t?ucHeap[?configTOTAL_HEAP_SIZE?];
其中宏configTOTAL_HEAP_SIZE用來(lái)定義內(nèi)存堆的大小，這個(gè)宏在FreeRTOSConfig.h中設(shè)置。

對(duì)于heap_3.c，這種策略只是簡(jiǎn)單的包裝了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的malloc()和free()函數(shù)，包裝后的malloc()和free()函數(shù)具備線程保護(hù)。因此，內(nèi)存堆需要通過(guò)編譯器或者啟動(dòng)文件設(shè)置堆空間。

heap_5.c比較有趣，它允許程序設(shè)置多個(gè)非連續(xù)內(nèi)存堆，比如需要快速訪問(wèn)的內(nèi)存堆設(shè)置在片內(nèi)RAM，稍微慢速訪問(wèn)的內(nèi)存堆設(shè)置在外部RAM。每個(gè)內(nèi)存堆的起始地址和大小由應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者定義。

1. heap_1.c

這是5個(gè)內(nèi)存管理策略中最簡(jiǎn)單的一個(gè)，我們稱為第一個(gè)內(nèi)存管理策略，它簡(jiǎn)單到只能申請(qǐng)內(nèi)存。

是的，跟你想的一樣，一旦申請(qǐng)成功后，這塊內(nèi)存再也不能被釋放。

對(duì)于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，特別是對(duì)安全要求高的嵌入式系統(tǒng)，這種內(nèi)存管理策略很有用，因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)軟件來(lái)說(shuō)，邏輯越簡(jiǎn)單越容易兼顧安全。

實(shí)際上，大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)并不需要?jiǎng)討B(tài)刪除任務(wù)、信號(hào)量、隊(duì)列等，而是在初始化的時(shí)候一次性創(chuàng)建好，便一直使用，永遠(yuǎn)不用刪除。

所以這個(gè)內(nèi)存管理策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、安全可靠，使用的非常廣泛。我對(duì)這個(gè)對(duì)內(nèi)存管理策略也情有獨(dú)鐘。

我們可以將第一種內(nèi)存管理看作是切面包：初始化的內(nèi)存就像一根完整的長(zhǎng)棍面包，每次申請(qǐng)內(nèi)存，就從一端切下適當(dāng)長(zhǎng)度的面包返還給申請(qǐng)者，直到面包被分配完畢，就這么簡(jiǎn)單。

這個(gè)內(nèi)存管理策略使用兩個(gè)局部靜態(tài)變量來(lái)跟蹤內(nèi)存分配，變量定義為：

static?size_t?xNextFreeByte?=?(?size_t?)?0;
static?uint8_t?*pucAlignedHeap?=?NULL;
其中，變量xNextFreeByte記錄已經(jīng)分配的內(nèi)存大小，用來(lái)定位下一個(gè)空閑的內(nèi)存堆位置。

因?yàn)閮?nèi)存堆實(shí)際上是一個(gè)大數(shù)組，我們只需要知道已分配內(nèi)存的大小，就可以用它作為偏移量找到未分配內(nèi)存的起始地址。

變量xNextFreeByte被初始化為0，然后每次申請(qǐng)內(nèi)存成功后，都會(huì)增加申請(qǐng)內(nèi)存的字節(jié)數(shù)目。

變量pucAlignedHeap指向?qū)R后的內(nèi)存堆起始位置。「為什么要對(duì)齊？」

這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)硬件訪問(wèn)內(nèi)存對(duì)齊的數(shù)據(jù)速度會(huì)更快。

為了提高性能，F(xiàn)reeRTOS會(huì)進(jìn)行對(duì)齊操作，不同的硬件架構(gòu)對(duì)齊操作也不盡相同，對(duì)于Cortex-M3架構(gòu)，進(jìn)行8字節(jié)對(duì)齊。

我們來(lái)看一下第一種內(nèi)存管理策略對(duì)外提供的API函數(shù)。

1.1內(nèi)存申請(qǐng)：pvPortMalloc()

「函數(shù)源碼為：」

void?*pvPortMalloc(?size_t?xWantedSize?)
{
void?*pvReturn?=?NULL;
static?uint8_t?*pucAlignedHeap?=?NULL;
?
????/*?確保申請(qǐng)的字節(jié)數(shù)是對(duì)齊字節(jié)數(shù)的倍數(shù)?*/
????#if(?portBYTE_ALIGNMENT?!=?1?)
????{
????????if(?xWantedSize?