FreeRTOS内存管理

简介

Freertos的内存管理分别在heap_1.c,heap_2.c,heap_3.c,heap_4.c,heap_5.c个文件中，选择合适的一种应用于嵌入式项目中即可。

本文的图片中
红色部分Block代表：在内存对齐过程中舍弃掉的部分字节。
蓝色部分Block代表：链表结构体头，包含可以分配的内存大小和Next指针。
绿色部分Block代表：实际可分配给用户的内存。
黄色部分Block代表：已经分配给用户的内存。

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heap_1.c

特点：

1. 最简单的内存分配算法。
2. 分配后无法释放内存。
3. 支持1/2/4/8/16/32多种内存对齐方式。
4. 线程安全。

初始化

• ucHeadp数组代表整个堆内存空间。
• xNextFreeByte = 0。
• 初始化以后pucAlignedHeap指针会指向内存对齐后的第一个位置。




*pvPortMalloc()：

• 依次返回pvReturn(pucAlignedHeap+xNextFreeByte)所指向的地址，并更新xNextFreeByte大小。


### vPortFree()：

• 无法使用，传入的指针非空会进入断言。

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heap_2.c

特点：

1. 采用链表结构管理，按内存块大小排序。
2. 分配后可以释放内存，但是会产生内存碎片。
3. 支持1/2/4/8/16/32多种内存对齐方式。
4. 线程安全。

初始化

• ucHeap数组代表整个堆内存空间。
• 初始化以后pucAlignedHeap指针会指向内存对齐后的第一个位置。
• xStart表示链表头，pxFirstFreeBlock代表第一块可分配空间，xEnd代表链表尾。




*pvPortMalloc()：

• 按内存字节对齐方式调整实际分配大小。（实际大小=内存对齐+链表结点结构体大小）
• 遍历整个内存链表，如果找到足够分配的内存Block头，则加上结构体头偏移量，将pvReturn位置记录待返回给用户，并将该结点从链表中移除。
• 分配完成后，如果剩余的内存大小仍然大于最小的BlockSize(包含链表结构体)，就将该Block切割，并按照BlockSize从小到大的方式插入空闲内存链表。


###vPortFree()：

• Free的过程非常简单，只是根据传入的指针参数，反向找到结构体头，然后根据该节点BlockSize从小到大重新插入空闲内存链表中即可。

总结：

1. 内存的分配和释放过程是线程安全的。
2. 在内存分配和释放过程会产生内存碎片，所以heap_2.c不适用于频繁地内存分配的场合。试想这样一种情况：不停地进行小片内存分配(比如：8个字节)直到内存用完，分配完成后全部重新Free，由于结点信息仍然存在，将导致以后都无法分配超过8个字节的内存。

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heap_3.c

特点：

1. 使用标准库中的malloc和free方法。
2. 无法在中断中分配和释放内存。
3. 线程安全。

在标准库的基础上，简单地加上线程安全的处理，保证malloc不会被线程切换打断。

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heap_4.c

特点：

1. 采用链表结构管理，按地址大小排序。
2. 分配后可以释放内存，不会产生内存碎片。
3. 支持1/2/4/8/16/32多种内存对齐方式。
4. 线程安全。

初始化

• ucHeadp数组代表整个堆内存空间。
• 初始化以后pucAlignedHeap指针会指向内存对齐后的第一个位置。
• xStart表示链表头，pxFirstFreeBlock代表第一块可分配空间，xEnd代表链表尾。和heap_2.c不一致的是这里的链尾结构体也分配在ucHeap内存中。




*pvPortMalloc()：

• 按内存字节对齐方式调整实际分配大小。（实际大小=内存对齐+链表结点结构体大小）
• 遍历整个内存链表，如果找到足够分配的内存Block头，则加上结构体头偏移量，将pvReturn位置记录待返回给用户，并将该结点从链表中移除。
• 如果剩余的内存大小仍然大于最小的BlockSize(包含链表结构体)，就将Block切割，并按照地址从小到大的方式插入内存链表，并更新xFreeBytesRemaining。


###vPortFree()：

• 根据传入的指针参数，反向找到结构体头，然后迭代空闲链表，根据该节点的地址从低到高，找到相应的插入位置。
• 当Free的时候，有两种情况，一种是连续（如图中黄色块3），一种是不连续（如图中黄色块1，2）。
• 插入空闲内存链表后，如果该节点与后面的节点是连续的，则将这两个节点整合成一个大的节点。

总结：

1. 内存的分配和释放过程是线程安全的。
2. 和heap_2.c非常相似，最大不同点在于释放内存的时候不会产生碎片，具体做法是在插入空闲内存链表的时候多了一步操作：如果两个空闲节点在内存上是连续的，则将这两个节点重新整合成一个。
3. 
另外一点和heap_2.c不同的地方在于，空闲内存链表排序方式不一样，heap_2.c是按照blockSize排序，而heap_4.c是按照内存地址排序，所以heap_4.c的空闲链表在内存上是很容易整合的，而heap_2.c由于没有按内存地址排序，所以整合比较麻烦。

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heap_5.c

特点：

1. 采用链表结构管理，按地址大小排序。
2. 分配后可以释放内存，不会产生内存碎片。
3. 支持1/2/4/8/16/32多种内存对齐方式。
4. 线程安全。
5. 可以自定义内存区。

Malloc和Free方法和heap_4.c一模一样。
区别在与heap_4.c使用prvHeapInit()函数将ucHeap这个全局变量作为内存区，而heap_5.c没有这个prvHeapInit()函数，而是提供了另一个函数vPortDefineHeapRegions()，自己定义内存区。