FreeRTOS Heap Memory Management (1) - 内存分配介绍
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1 介绍
FreeRTOS没有直接采用C标准库中提供的malloc() 和 free()函数进行内存分配，而是提供了5种内存分配方式，对应的源文件名分别为 heap1.c - heap5.c，位于FreeRTOS/Source/portable/MemMang/路径下。
不同的内存分配方式都提供了相同的接口函数，其中最重要的是如下两个接口函数：
/* 内存分配函数 */
void* pvPortMalloc( size_t *xWantedSize* );
/* 内存释放函数 */
void vPortFree( void * pv );
2 分配方式的特点
以下仅简单介绍各种分配方式的特点及适用范围，具体的源码分析会在后续的文章中逐个分析。
2.1 heap1
（1）特点：
heap1只提供了pvPortMalloc()接口，而没有vPortFree()（保留了接口，但是调用无效）。也就意味着此种内存分配方式不能释放内存，已分配的空间将一直存在于内存中。
heap1能够提供的最大内存由FreeRTOSConfig.h中的宏configTOTAL_HEAP_SIZE定义。内核预先分配一个尺寸为configTOTAL_HEAP_SIZE的数组（被称为FreeRTOS heap），每次调用pvPortMalloc()接口时，内核都会从数组中拿出一块，直到空闲数组被耗尽。此种分配方式可以避免内存碎片的问题。
（2）适用：
heap1适用于不需要删除任务的应用。一些重要的应用会禁止使用动态内存分配，因为动态分配会带来不确定性，内存碎片化，甚至会分配失败，这种应用可以考虑使用heap1。
（3）图示：
A为未分配时，内存的布局，B和C是创建一些Task后的内存布局。
2.2 heap2
FreeRTOS内核手册指出：建议使用heap4来替代heap2，因为heap4在heap2的基础上做了功能增强（主要是减少了内存碎片的风险）。
（1）特点：
heap2提供了pvPortMalloc()和vPortFree()接口，支持在应用中分配和释放内存。也是内核预先分配一个尺寸为configTOTAL_HEAP_SIZE的数组，并使用best fit algorithm（优先分配尺寸与所需尺寸最为接近的free block）来进行分配。
heap2可能导致内存碎片（memory fragmentation）问题。例如，现在有2个大小分别为 15， 25的free block，应用需要10，则根据best fit algorithm，将大小为15的block分为 10 和 5，则大小为5的碎片可能会浪费掉。
（2）适用：
heap2适用于重复分配和释放大小相同的block。因为每次分配和回收的尺寸都是相同的，也就避免了内存碎片的问题。
（3）图示：
下图说明了删除和添加任务时，内存的布局变化。
2.3 heap3
heap3简单封装了C标准库函数malloc() 和 free()，在调用库函数时挂起了其他任务，防止重入，使pvPortMalloc()和vPortFree()线程安全。而heap3能够提供的最大分配空间由连接器设置决定，不受configTOTAL_HEAP_SIZE宏值的影响。
此处顺便看一下heap3.c的源码,由于代码很简单,后面不再单独分析。
void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )
{
void * pvReturn;
vTaskSuspendAll() /* 分配时挂起所有任务,防止函数被重入 */
{
pvReturn = malloc( xWantedSize );
traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize );/* 调试使用 */
}
( void ) xTaskResumeAll(); /* 分配后,恢复所有任务 */
#if ( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )
{
/* 如果定义了hook函数,则在分配失败时,调用hook函数 */
if( pvReturn == NULL )
{
extern void vApplicationMallocFailedHook( void );
vApplicationMallocFailedHook();
}
}
#endif
return pvReturn;
}
void vPortFree( void * pv )
{
if( pv )
{
/* 与pvPortMalloc()类似,在free时挂起所有任务 */
vTaskSuspendAll();
{
free( pv );
traceFREE( pv, 0 );
}
( void ) xTaskResumeAll();
}
}
2.4 heap4
（1）特点：
heap4和heap2的功能基本一致，不同之处在于，heap4会将相邻的碎片合并起来。
此外，如果需要将FreeRTOS heap，即前面提到的内核预先分配的数组，分配在固定的内存上，则可以使用以下语法：
/* GCC编译环境， 以下声明可以将数组分配在.my_heap的内存上 */
uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ] __attribute__ ( ( section( ".my_heap" ) ) );
（2）适用：
heap4可以重复分配和释放大小不同的block（而heap2仅适合大小相同的block）。
（3）图示：
下图说明了heap4在分配时合并碎片的过程。
2.5 heap5
（1）特点：
heap5使用的分配策略和heap4完全一样，不同之处在于：heap4（heap1和heap2也是如此）只能在预先分配好的数组中（即供pvPortMalloc()分配的空间在内存中必须为连续空间）进行分配，而heap5可以在非连续的空间上进行分配。当然，需要在分配之前显式地调用vPortDefineHeapRegions()函数来进行内存初始化，主要是将各个分离的空间接合起来。
（2）适用：
适用于内存不连续的场景。
（3）图示：
heap5可以在下图所示的非连续空间上进行内存分配。具体的操作细节将在后续的源码分析中进行详细说明。
3 其他接口函数
除了上述介绍的pvPortMalloc()和vPortFree()函数，FreeRTOS还提供了如下几个相关的接口函数。
/* 获取空闲内存大小 */
size_t xPortGetFreeHeapSize( void );
/* 获取到目前最小剩余空间，可以用来了解任务实际使用内存的情况，以对内存分配的大小进行调节 */
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );
/* 内存分配失败钩子函数，可以在内部分配失败时进行一些操作，如打印信息等 */
void vApplicationMallocFailedHook( void );
