????動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理是 FreeRTOS 非常重要的一項(xiàng)功能，任務(wù)創(chuàng)建、信號(hào)量、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志組、互斥信號(hào)量、軟件定時(shí)器組等需要的RAM 空間都是通過(guò)動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理從 FreeRTOSConfig.h 文件定義的 heap 空間中申請(qǐng)的。

????1?動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理介紹

????FreeRTOS 支持 5 種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方案，分別通過(guò)文件 heap_1，heap_2，heap_3，heap_4 和 heap_5 實(shí)現(xiàn)，這 5 個(gè)文件在 FreeRTOS 軟件包中的路徑是：FreeRTOS\Source\portable\MemMang。

????用戶創(chuàng)建的 FreeRTOS 工程項(xiàng)目?jī)H需要 5 種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方案中的一種。 下面將這 5 種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式分別進(jìn)行講解。

1.1 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式一 heap_1

????heap_1 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式是五種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式中最簡(jiǎn)單的，這種方式的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理一旦申請(qǐng) 了相應(yīng)內(nèi)存后，是不允許被釋放的。

????盡管如此，這種方式的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理還是滿足大部分嵌入式應(yīng)用的， 因?yàn)檫@種嵌入式應(yīng)用在系統(tǒng)啟動(dòng)階段就完成了任務(wù)創(chuàng)建、事件標(biāo)志組、信號(hào)量、消息隊(duì)列等資源的創(chuàng)建， 而且這些資源是整個(gè)嵌入式應(yīng)用過(guò)程中一直要使用的，所以也釋放內(nèi)存。

????動(dòng)態(tài)內(nèi)存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中進(jìn)行了定義：?

????#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //單位字節(jié)

????用戶通過(guò)函數(shù) xPortGetFreeHeapSize 就能獲得 FreeRTOS 動(dòng)態(tài)內(nèi)存的剩余，進(jìn)而可以根據(jù)剩余情況優(yōu)化動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小。

????heap_1 方式的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理有以下特點(diǎn)：

????◆ 項(xiàng)目應(yīng)用不需要?jiǎng)h除任務(wù)、信號(hào)量、消息隊(duì)列等已經(jīng)創(chuàng)建的資源。

????◆ 具有時(shí)間確定性，即申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的時(shí)間是固定的并且不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

????◆ 靜態(tài)內(nèi)存分配，申請(qǐng)的內(nèi)存是不允許被釋放掉的。

1.2 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式二 heap_2

heap_2 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理利用了最適應(yīng)算法，并且支持內(nèi)存釋放。?

但是 heap_2 不支持內(nèi)存碎片整理，動(dòng)態(tài)內(nèi)存僅管理方式四 heap_4 支持內(nèi)存碎片整理。

????用戶通過(guò)函數(shù) xPortGetFreeHeapSize 就能獲得 FreeRTOS 動(dòng)態(tài)內(nèi)存的剩余，用戶可以根據(jù)剩余情況優(yōu)化動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小，但是不提供動(dòng)態(tài)內(nèi)存是如何被分配成各個(gè)小內(nèi)存塊的信息。

????動(dòng)態(tài)內(nèi)存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中進(jìn)行了定義：?

?????#define configTOTAL_HEAP_SIZE?( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //單位字節(jié)

????heap_2 方式的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理有以下特點(diǎn)：

????◆ 不考慮內(nèi)存碎片的情況下，這種方式支持重復(fù)的任務(wù)、信號(hào)量、事件標(biāo)志組、軟件定時(shí)器等內(nèi)部資源的創(chuàng)建和刪除。

????◆ 如果用戶申請(qǐng)和釋放的動(dòng)態(tài)內(nèi)存大小是隨機(jī)的，這樣容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，內(nèi)存碎片過(guò)多的話會(huì)導(dǎo)致無(wú)法申請(qǐng)出一個(gè)大的內(nèi)存塊出來(lái)，不建議采用這種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式。

????◆ 如果用戶隨機(jī)的創(chuàng)建和刪除任務(wù)、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志組、信號(hào)量等內(nèi)部資源也容易出現(xiàn)內(nèi)存碎片。

????◆ heap_2 方式實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)不具有時(shí)間確定性，但是比 C 庫(kù)中的 malloc 函數(shù)效率要高。

????大部分需要?jiǎng)討B(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和釋放的小型實(shí)時(shí)系統(tǒng)項(xiàng)目可以使用 heap_2。如果需要內(nèi)存碎片的回收機(jī) 制可以使用 heap_4。

1.3 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式三 heap_3

heap_3實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理是對(duì)malloc 和 free 函數(shù)進(jìn)行了封裝，保證是線程安全的。

????heap_3 方式的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理有以下特點(diǎn)：

???? ◆ 需要編譯器提供 malloc 和 free 函數(shù)。?

????◆ 不具有時(shí)間確定性，即申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的時(shí)間不是固定的。

???? ◆ 增加 RTOS 內(nèi)核的代碼量。

另外要特別注意一點(diǎn)，這種方式的動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和釋放不是用的 FreeRTOSConfig.h 文件中定義的heap空間大小，而是用的編譯器設(shè)置的heap空間大小或者說(shuō)STM32啟動(dòng)代碼中設(shè)置的heap空間大小， 比如 MDK 版本的 STM32F103 工程中 heap 大小就是在這里進(jìn)行的定義：

1.4 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式四 heap_4

heap_4 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理利用了最適應(yīng)算法，且支持內(nèi)存碎片的回 收并將其整理為一個(gè)大的內(nèi)存塊。

????FreeRTOS 的動(dòng)態(tài)內(nèi)存大小在 FreeRTOSConfig.h 文件中進(jìn)行了定義：

????#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) ) //單位字節(jié)

heap_4 同時(shí)支持將動(dòng)態(tài)內(nèi)存設(shè)置在指定的 RAM 空間位置。

????用戶通過(guò)函數(shù) xPortGetFreeHeapSize 就能獲得 FreeRTOS 動(dòng)態(tài)內(nèi)存的剩余，但是不提供動(dòng)態(tài)內(nèi)存是 如何被分配成各個(gè)小內(nèi)存塊的信息。

????使用函數(shù) xPortGetMinimumEverFreeHeapSize 能夠獲取從系統(tǒng)啟 動(dòng)到當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)內(nèi)存最小剩余，從而用戶就可以根據(jù)剩余情況優(yōu)化動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小。

????heap_4 方式的 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理有以下特點(diǎn)：

◆ 可以用于需要重復(fù)的創(chuàng)建和刪任務(wù)、信號(hào)量、事件標(biāo)志組、軟件定時(shí)器等內(nèi)部資源的場(chǎng)合。

◆ 隨機(jī)的調(diào)用 pvPortMalloc() 和 vPortFree()，且每次申請(qǐng)的大小都不同，也不會(huì)像 heap_2 那樣產(chǎn) 生很多的內(nèi)存碎片。?

◆ 不具有時(shí)間確定性，即申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存的時(shí)間不是確定的，但是比 C 庫(kù)中的 malloc 函數(shù)要高效。 heap_4 比較實(shí)用，用戶的代碼也可以直接調(diào)用函數(shù) pvPortMalloc() 和 vPortFree()進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放。

1.5 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式五 heap_5

????有時(shí)候我們希望 FreeRTOSConfig.h 文件中定義的 heap 空間可以采用不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，比如我們希望可以將其定義在內(nèi)部 SRAM 一部分，外部 SRAM 一部分，此時(shí)我們就可以采用 heap_5 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式。另外，heap_5 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理是在 heap_4 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

????heap_5 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理是通過(guò)函數(shù) vPortDefineHeapRegions 進(jìn)行初始化的，也就是說(shuō)用戶在創(chuàng)建任務(wù) FreeRTOS 的內(nèi)部資源前要優(yōu)先級(jí)調(diào)用這個(gè)函數(shù) vPortDefineHeapRegions，否則是無(wú)法通過(guò)函數(shù) pvPortMalloc 申請(qǐng)到動(dòng)態(tài)內(nèi)存的。?

????函數(shù) vPortDefineHeapRegions 定義不同段的內(nèi)存空間采用了下面這種結(jié)構(gòu)體：

比如下面定義了兩個(gè)內(nèi)存塊:

定義的時(shí)候要注意兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是內(nèi)存段結(jié)束時(shí)要定義 NULL。另一個(gè)是內(nèi)存段的地址是從低地址到高地址排列。

????用戶通過(guò)函數(shù) xPortGetFreeHeapSize 就能獲得 FreeRTOS 動(dòng)態(tài)內(nèi)存的剩余，但是不提供動(dòng)態(tài)內(nèi)存是 如何被分配成各個(gè)小內(nèi)存塊的信息。使用函數(shù) xPortGetMinimumEverFreeHeapSize 能夠獲取從系統(tǒng)啟動(dòng)到當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)內(nèi)存最小剩余，從而用戶就可以根據(jù)剩余情況優(yōu)化動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小。

1.6 五種動(dòng)態(tài)內(nèi)存方式總結(jié)

五種動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理方式簡(jiǎn)單總結(jié)如下，實(shí)際項(xiàng)目中，用戶根據(jù)需要選擇合適的：

◆ heap_1：五種方式里面最簡(jiǎn)單的，但是申請(qǐng)的內(nèi)存不允許釋放。

◆ heap_2：支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放，但是不支持內(nèi)存碎片的處理，并將其合并成一個(gè)大的內(nèi)存塊。?

◆ heap_3：將編譯器自帶的 malloc 和 free 函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝，以支持線程安全，即支持多任務(wù)調(diào)用。?

◆ heap_4：支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放，支持內(nèi)存碎片處理，支持將動(dòng)態(tài)內(nèi)存設(shè)置在個(gè)固定的地址。?

◆ heap_5：在 heap_4 的基礎(chǔ)上支持將動(dòng)態(tài)內(nèi)存設(shè)置在不連續(xù)的區(qū)域上。