FreeRTOS --（2）内存管理 heap1

转载自https://blog.csdn.net/zhoutaopower/article/details/106631237

FreeRTOS 提供了5种内存堆管理方案，分别对应heap1/heap2/heap3/heap4/heap5，提供内存管理是作为 OS 的一项基本功能，FreeRTOS 根据具体的使用场景，将内存管理按需切分成为了 5 部分，以供不同的场景来针对性使用；

其实库函数的 malloc 和 free 已经是提供了内存的动态管理功能，但是呢介于一下几个原因：

• 在嵌入式系统中，它们并不总是可以使用的；
• 它们会占用更多宝贵的代码空间；
• 它们没有线程保护；
• 它们不具有确定性（每次调用执行的时间可能会不同）；

在小型实时嵌入式 OS 中，使用 malloc 和 free，并不是最明智的选择；所以，FreeRTOS 使用了：pvPortMallo() 和 vPortFree() 函数来代替 malloc() 和 free() 函数，来进行内存管理；

FreeRTOS 内存管理相关的 SourceCode 放置在：

FreeRTOS\Source\portable\MemMang

一共 5 个，今天就来看看第一种内存管理 heap1 是如何实现的；

1、内存大小

heap1 中有几个关键的宏定义：

configTOTAL_HEAP_SIZE

这个是需要用户根据自己的芯片具体情况来定义的，FreeRTOS 管理的内存就来自于这个值：

static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

ucHeap 就是管理的对象；

 

2、对齐

有的处理器是对内存对齐有要求的，比如 ARM-CM3 等，AAPCS规则要求堆栈保持8字节对齐。给任务分配栈时需要保证栈是8字节对齐的。所以这里 FreeRTOS 就需要涉及到对齐操作；针对 ARM-CM3 这类处理器来说，在portmacro.h 文件中，定义了对齐的字节数：

/* Hardware specifics. */

#define portBYTE_ALIGNMENT 8

而在 portable.h 中，定义了对应的 Mask（8字节对齐，那么都要是 8 的倍数，也就是二进制的 4'b1000，所以 MASK 是 4'b0111 也就是 0x07）：

#if portBYTE_ALIGNMENT == 8
#define portBYTE_ALIGNMENT_MASK ( 0x0007 )
#endif

 

3、分配内存

分配内存使用了 pvPortMalloc 函数，入参是希望分配的 Size，返回值是分配到内存的起始地址，失败的话返回 NULL：

/* Index into the ucHeap array. */
static size_t xNextFreeByte = ( size_t ) 0;

void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize )
{
void *pvReturn = NULL;
static uint8_t *pucAlignedHeap = NULL;

    /* Ensure that blocks are always aligned to the required number of bytes. */
    #if( portBYTE_ALIGNMENT != 1 )
    {
        if( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK )
        {
            /* Byte alignment required. */
            xWantedSize += ( portBYTE_ALIGNMENT - ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );
        }
    }
    #endif

    vTaskSuspendAll();
    {
        if( pucAlignedHeap == NULL )
        {
            /* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
            pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) &ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );
        }

        /* Check there is enough room left for the allocation. */
        if( ( ( xNextFreeByte + xWantedSize ) < configADJUSTED_HEAP_SIZE ) &&
            ( ( xNextFreeByte + xWantedSize ) > xNextFreeByte )    )/* Check for overflow. */
        {
            /* Return the next free byte then increment the index past this
            block. */
            pvReturn = pucAlignedHeap + xNextFreeByte;
            xNextFreeByte += xWantedSize;
        }

        traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize );
    }
    ( void ) xTaskResumeAll();

    #if( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )
    {
        if( pvReturn == NULL )
        {
            extern void vApplicationMallocFailedHook( void );
            vApplicationMallocFailedHook();
        }
    }
    #endif

    return pvReturn;
}

pvReturn 就是如果被分配到内存后的起始地址，初始化成为 NULL；

这里注意一下，pucAlignedHeap 是一个 static 变量，它记录了对齐后，内存 heap 的起始地址；

如果 portBYTE_ALIGNMENT != 1，也就是使用了对齐，那么需要按需来调整分配内存的大小，也就是 xWantedSize，使其能够达到对齐的效果；

接着调用 vTaskSuspendAll();，暂时关闭 OS 调度；

接着对初始的 ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ] 进行对齐操作：

/* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) &ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );

这里为什么是 ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] 呢，因为如果 ucHeap 的起始地址本就不对齐的话，那么经过对齐操作后得到的地址，便可能小于真实的 ucHeap，所以这里往前挪了一点；

接下来便是检查是否能够正常分配到想要的 Size 的内存，xNextFreeByte 记录了不断的分配内存后，可用于分配内存在 ucHeap 的起始地址；这里的 configADJUSTED_HEAP_SIZE 很关键，它被定义为：

/* A few bytes might be lost to byte aligning the heap start address. */

#define configADJUSTED_HEAP_SIZE    ( configTOTAL_HEAP_SIZE - portBYTE_ALIGNMENT )

也就是在 configTOTAL_HEAP_SIZE 基础之上预留出了 portBYTE_ALIGNMENT 的空间，这个就是用于了刚刚上一步说的 ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] 这部分空间；

如果分配成功，那么 pvReturn 被更新为 ucHeap 对齐后的起始地址，加上可用内存的起始地址指针 xNextFreeByte；

同时，更新 xNextFreeByte 指针；

整个过程，保证了 ucHeap 的起始地址对齐到 pucAlignedHeap，分配内存的时候，Size 是对齐的；

然后再调用 xTaskResumeAll(); 来恢复 OS 调度；

当然，如果定义了 configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK，在分配失败的时候，会去调用 vApplicationMallocFailedHook 回调；

 

4、小结

heap1 不提供 Free 内存的接口，也就是说，这套内存管理是只提供的分配，一旦申请成功后，这块内存再也不能被释放；实际上，大多数的嵌入式系统并不需要动态删除任务、信号量、队列等，而是在初始化的时候一次性创建好，便一直使用，永远不用删除。所以这个内存管理策略实现简洁、安全可靠，使用的非常广泛。