FreeRTOS学习（二十六）——动态内存管理heap_1到heap_5

这一节来看一个平时很容易被忽略的问题：

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xTaskCreate();

xQueueCreate();

xSemaphoreCreateMutex();

这些函数创建任务、队列和互斥量时，都需要占用RAM。

那么这些内存到底从哪里来？FreeRTOS又是怎么管理这些内存的？

FreeRTOS提供了：

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heap_1

heap_2

heap_3

heap_4

heap_5

五种动态内存管理方案。

本节不深入分析源码，先搞清楚五种Heap之间最主要的区别，以及STM32项目中应该怎么选择。

一、FreeRTOS为什么需要Heap

例如创建任务：

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xTaskCreate(
    Task1,
    "Task1",
    128,
    NULL,
    2,
    NULL
);

FreeRTOS需要为这个任务分配：

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任务控制块TCB

+

任务栈

这些内存默认通过：

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pvPortMalloc();

申请。

删除任务以后，则通过：

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vPortFree();

释放。

因此FreeRTOS自己提供了一套内存管理接口：

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pvPortMalloc()

vPortFree()

而真正决定这两个函数如何工作的，就是：

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heap_x.c

二、Heap大小在哪里设置

在：

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FreeRTOSConfig.h

中通常可以看到：

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#define configTOTAL_HEAP_SIZE

例如：

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#define configTOTAL_HEAP_SIZE \
        ((size_t)(20 * 1024))

表示：

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FreeRTOS Heap

大小约20KB

创建：

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Task

Queue

Semaphore

Mutex

等动态对象时，就会消耗这部分内存。

因此：

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configTOTAL_HEAP_SIZE

并不是STM32全部RAM的大小。

而是：

分配给FreeRTOS动态内存管理使用的空间大小。

三、heap_1

heap_1.c是最简单的一种方案。

它只支持：

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申请内存

不支持：

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释放内存。

也就是说：

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pvPortMalloc();

可以使用。

但是已经申请的内存不能重新释放利用。

因此适合：

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系统启动时创建所有任务

↓

运行过程中不再删除

这种非常固定的系统。

它最大的特点就是：

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简单

确定性高

但灵活性比较差。

四、heap_2

heap_2.c支持：

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申请

+

释放

因此任务删除以后：

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内存可以重新使用。

但是它有一个明显的问题：

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相邻空闲内存块

不会自动合并。

例如：

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已用 | 空闲10B | 空闲20B | 已用

即使两个空闲区域相邻，也不会自动变成：

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空闲30B

长期频繁申请和释放不同大小的内存时：

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容易产生内存碎片。

因此现在实际工程中：

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heap_2

使用得比较少。

五、heap_3

heap_3.c比较特殊。

它直接使用标准C库：

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malloc();

free();

也就是说：

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FreeRTOS

↓

调用C库内存管理

因此实际内存管理方式取决于：

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编译器

C运行库

而不是FreeRTOS自己维护Heap数组。

这种方式虽然简单，但是：

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行为依赖具体C库

在资源受限、希望内存行为更加可控的嵌入式系统中，并不是最常见的选择。

六、heap_4

heap_4.c是实际STM32 FreeRTOS工程中非常常见的一种方案。

它支持：

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申请内存

释放内存

并且：

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能够合并相邻空闲内存块。

例如：

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空闲10B

+

空闲20B

如果两个区域相邻：

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↓

自动合并

↓

空闲30B

因此相比：

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heap_2

可以明显降低：

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内存碎片问题。

所以对于普通STM32项目：

heap_4通常是比较推荐的选择。

七、heap_5

heap_5.c的内存管理算法和：

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heap_4

比较类似。

但是它最大的特点是：

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可以管理多个不连续的内存区域。

例如某些MCU拥有：

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内部SRAM

SRAM1

SRAM2

外部SDRAM

这些RAM在地址上可能并不连续。

heap_5可以把多个区域统一交给FreeRTOS管理。

因此：

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单一连续RAM

↓

heap_4通常够用

而：

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多个不连续RAM区域

↓

可以考虑heap_5

八、五种Heap怎么记

初学阶段不用记复杂实现，只需要记住：

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heap_1

只申请
不释放

heap_2

可以申请释放
但不合并相邻空闲块

heap_3

使用标准malloc/free

heap_4

申请 + 释放
还能合并相邻空闲块

heap_5

类似heap_4
但支持多个不连续RAM区域

其中STM32普通项目中最值得重点掌握的是：

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heap_4

九、查看剩余Heap空间

FreeRTOS还提供：

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xPortGetFreeHeapSize();

可以查看当前剩余Heap。

例如：

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printf(
    "Free Heap = %lu\r\n",
    (unsigned long)xPortGetFreeHeapSize()
);

创建任务之前：

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Free Heap = 20000

创建任务以后可能变成：

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Free Heap = 19000

说明这个任务以及相关数据结构消耗了一部分Heap。

还可以使用：

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xPortGetMinimumEverFreeHeapSize();

查看系统运行以来：

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Heap最少剩余过多少。

这个值对于判断：

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configTOTAL_HEAP_SIZE

到底够不够

非常有帮助。

十、总结

这一节学习了FreeRTOS中的五种动态内存管理方案。

FreeRTOS创建任务、队列、信号量等动态对象时，会通过：

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pvPortMalloc();

申请内存。

FreeRTOS提供：

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heap_1
heap_2
heap_3
heap_4
heap_5

五种实现方式。

其中最需要记住的是：

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heap_1：只申请，不释放

heap_2：可释放，但不合并空闲块

heap_3：使用malloc/free

heap_4：可释放，并合并相邻空闲块

heap_5：支持多个不连续RAM区域

对于普通STM32 FreeRTOS项目，如果没有特殊需求：

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heap_4

通常是一个比较常用的选择。

另外，FreeRTOS Heap只是MCU RAM中的一部分：

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MCU总RAM

≠

configTOTAL_HEAP_SIZE

这一点一定不要混淆。