FreeRTOS内存管理

1 概念

特性	动态方式	静态方式
内存来源	FreeRTOS内存堆	用户预先定义
内存释放	自动回收	不能自动回收
灵活性	高	低
使用复杂度	简单	复杂
内存碎片	可能产生	不会产生
实时性	不确定	确定

为何不使用标准C库的malloc/free

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1.代码空间占用大
    C库的malloc/free实现复杂，代码量大
    嵌入式系统通常资源有限
2.缺乏线程安全性
    标准C库不是为RTOS设计
    没有考虑多任务并发访问
3.实时性差
    执行时间不确定
    不适合实时系统要求的时间确定性
4.内存碎片问题
    长期运行会导致内存碎片
    可能导致内存分配失败

2 内存管理算法

2.1 heap_1

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只能分配，不能释放
适用于系统启动后只分配不释放的场景
无内存碎片问题
实现简单，时间确定

2.2 heap_2

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支持分配和释放
使用最佳匹配算法
不能合并相邻空闲块 → 内存碎片
适用于分配固定大小内存块的场景

2.3 heap_3

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简单封装了标准C库的malloc/free
添加了线程安全保护（挂起调度器）
保留了标准库的所有缺点
仅用于兼容性考虑

2.4 heap_4

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支持分配和释放
首次适应算法 + 空闲块合并
减少内存碎片
适用于重复创建/删除任务的场景

2.5 heap_5

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支持分配和释放
可管理多个不连续的内存区域
具有heap_4的所有优点
适用于复杂内存布局的系统

算法	适用场景	优缺点
heap_1	简单应用，任务/资源从不删除	简单快速，但不能释放
heap_2	重复创建删除，但分配块大小相同	可释放，但会产生碎片
heap_3	已有标准库代码需要移植	兼容性好，但性能差
heap_4	通用场景，分配块大小不同	碎片少，最常用
heap_5	内存非连续分布的复杂系统	最灵活，可管理多个内存区

3 相关函数

3.1 pvPortMalloc()

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void *pvPortMalloc(size_t xWantedSize);
功能描述：从FreeRTOS管理的堆中分配指定大小的内存块。
参数说明：xWantedSize：请求分配的内存大小，以字节为单位
返回值：
    成功：返回指向分配内存的指针
    失败：返回NULL（当可用内存不足时）
注意事项：
1. 对齐考虑
    FreeRTOS会根据架构自动进行内存对齐
    通常为8字节或16字节对齐（取决于portBYTE_ALIGNMENT配置）
2. 实际分配大小
    分配的实际内存可能大于请求的大小，因为：
        内存对齐要求
        需要额外的管理信息
3. 线程安全
    函数内部会自动挂起调度器，保证多任务安全访问

3.2 vPortFree()

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void vPortFree(void *pv);
功能描述：释放之前通过pvPortMalloc()分配的内存。
参数说明：pv：指向要释放内存的指针
注意事项：
    1. 只能释放由pvPortMalloc分配的内存
    2. 释放后指针应设为NULL，避免野指针
    3. heap_1算法不支持此函数
    4. 释放NULL指针是安全的（不会有任何操作）

3.3 xPortGetFreeHeapSize()

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size_t xPortGetFreeHeapSize(void);
功能描述：获取当前堆中可用的空闲内存大小（字节数）。
返回值：当前空闲内存大小（以字节为单位）
使用场景：
    1. 内存使用监控
    2. 调试内存泄漏
    3. 动态调整系统行为

4 示例实验

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/**
 * FreeRTOS演示函数 - 系统入口函数
 * 创建启动任务并启动FreeRTOS调度器
 */
void freertos_demo(void)
{    
    /* 创建启动任务(start_task) */
    xTaskCreate(
        (TaskFunction_t) start_task,              /* 任务函数指针 */
        (char *) "start_task",                    /* 任务名称字符串 */
        (configSTACK_DEPTH_TYPE) START_TASK_STACK_SIZE,  /* 任务栈大小 */
        (void *) NULL,                            /* 任务参数(无) */
        (UBaseType_t) START_TASK_PRIO,            /* 任务优先级 */
        (TaskHandle_t *) &start_task_handler      /* 任务句柄指针 */
    );
    
    /* 启动FreeRTOS调度器，系统开始任务调度 */
    vTaskStartScheduler();
}

/**
 * 启动任务函数
 * 功能：创建其他应用任务，然后自我删除
 * @param pvParameters: 任务参数(未使用)
 */
void start_task(void * pvParameters)
{
    /* 进入临界区 - 禁止任务切换和中断响应 */
    taskENTER_CRITICAL();
    
    /* 创建任务1(task1) */
    xTaskCreate(
        (TaskFunction_t) task1,                   /* 任务函数指针 */
        (char *) "task1",                         /* 任务名称字符串 */
        (configSTACK_DEPTH_TYPE) TASK1_STACK_SIZE, /* 任务栈大小 */
        (void *) NULL,                            /* 任务参数(无) */
        (UBaseType_t) TASK1_PRIO,                 /* 任务优先级 */
        (TaskHandle_t *) &task1_handler           /* 任务句柄指针 */
    );
    
    /* 删除当前启动任务自身(参数NULL表示删除自己) */
    vTaskDelete(NULL);
    
    /* 退出临界区 - 恢复任务切换和中断响应 */
    taskEXIT_CRITICAL();
}

/**
 * 任务1函数 - 内存管理演示任务
 * 功能：通过按键控制内存申请/释放，并定期显示剩余内存
 * @param pvParameters: 任务参数(未使用)
 */
void task1(void * pvParameters)
{
    uint8_t key = 0, t = 0;     /* key: 按键值, t: 定时计数器 */
    uint8_t *buf = NULL;        /* 动态内存缓冲区指针 */
    
    while(1)  /* 任务主循环 */
    {
        /* 扫描按键(模式0) */
        key = key_scan(0);
        
        /* KEY0按下：申请30字节内存 */
        if(key == KEY0_PRES)
        {
            /* 调用FreeRTOS内存分配函数 */
            buf = pvPortMalloc(30);
            
            /* 检查分配是否成功 */
            if(buf != NULL)
            {
                printf("申请内存成功!\r\n");
            }
            else
            {
                printf("申请内存失败!\r\n");
            }
        }
        /* KEY1按下：释放已申请的内存 */
        else if(key == KEY1_PRES)
        {
            if(buf != NULL)
            {
                /* 调用FreeRTOS内存释放函数 */
                vPortFree(buf);
                buf = NULL;        /* 释放后指针置空*/
                printf("释放内存成功!\r\n");
            }
        }
        
        /* 定时器：每(51*500ms≈25.5秒)显示一次剩余内存 */
        if(t++ > 50)
        {
            t = 0;
            /* 获取并显示当前空闲堆大小 */
            printf("剩余的内存大小为：%d\r\n", xPortGetFreeHeapSize());
        }
        
        /* 任务延时500ms，让出CPU控制权 */
        vTaskDelay(500);
    }
}

**实现功能：**系统采用两级任务架构：首先创建一个高优先级的启动任务，该任务在临界区保护下创建实际的应用任务（任务1），然后自我删除以确保系统简洁。任务1作为核心应用，实现了交互式内存管理功能------通过外部按键（KEY0和KEY1）可以动态申请和释放30字节的内存块，并每25.5秒自动显示当前系统的剩余内存大小。