FreeRTOS的堆内存管理源码分析

一、基础介绍

FreeRTOS是一个使用较为广泛的实时操作系统，主要组件包含：RTOS内核、任务管理、任务调度、中断管理、内存管理、定时器、队列、信号量、事件组等。参考的学习资料rtos.100ask.net,chat.deepseek.com,https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS-Kernel。

二、堆内存管理

FreeRTOS实现了自己的堆内存管理，自定义了分配内存和释放内存的函数，共提供5个内存管理的方法，此处分析heap_1.c和heap_4.c

三、heap_1.c的实现

1. 特点：只分配不释放，时间确定
2. malloc步骤：
   1. 分配一个大数组，表示heap；
   2. 通过用户给定的分配空间的大小，保证内存对齐的前提下，计算实际分配空间的大小；
   3. 挂起所有任务，保证线程安全；
   4. 实际的分配操作，如果是第一次分配，对堆内存的首地址进行内存对齐；之后设置malloc函数的返回值位分配后内存块的首地址pvReturn，使用全局变量xNextFreeByte记录未分配堆内存的首地址；
   5. 恢复所有任务；
   6. 设置malloc失败的钩子函数（用户可配置）。
   7. 返回pvReturn。
3. 根据用户给定的分配空间的大小，计算得到内存对齐后的实际分配空间的操作
   1. portBYTE_ALIGNMENT = 8表示8字节对齐，和实际的芯片位数有关；
   2. portBYTE_ALIGNMENT_MASK = 0x07表示对齐掩码，address&portBYTE_ALIGNMENT_MASK!=0x00认为是内存不对齐的；
   3. xWantedSize += portBYTE_ALIGNMENT-(xWantedSize&portBYTE_ALIGNMENT_MASK)计算得到实际需要分配的堆内存大小（不考虑内存溢出），举个例子，用户传入分配空间大小为10，实际分配空间大小为10+8-(10&0x07)=16，形象理解为原地址先右偏8个字节再往下内存对齐。
4. 对大数组heap进行内存对齐的操作（第一次分配的时候需要），heap_1.c和heap_4.c有两种不同的写法，但实际是同样的操作
   1. pucAlignedHeap = (uint8_t*)( ((portPOINTER_SIZE_TYPE)&ucHeap[portBYTE_ALIGNMENT-1]) & (~(portPOINTER_SIZE_TYPE)portBYTE_ALIGNMENT_MASK) )
   2. uxStartAddress = ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) ucHeap; uxStartAddress += ( portBYTE_ALIGNMENT - 1 ); uxStartAddress &= ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK );
   3. 形象理解为原地址先右偏7个字节再向下内存对齐。
5. heap_1.c的free函数，是个空函数。

四、heap_4.c的实现

1. 特点：时间不定、相邻内存可合并
2. malloc步骤：
   1. 分配一个大数组，表示heap；
   2. 定义一个链表节点，用来组织未被分配的空闲块，包括xStart和*pxEnd(在堆内存的尾部被设置)；
   3. 通过用户给定的分配空间的大小，保证内存对齐的前提下，计算实际分配空间的大小(计算了链表节点的大小)；
   4. 挂起所有任务，保证线程安全；
   5. 实际的分配操作，如果是第一次调用，使用prvHeapInit()初始化；遍历链表，寻找第一个有足够空间的空闲块，分配空间，同时如果剩余的空间大小大于heapMINIMUM_BLOCK_SIZE，则将剩余的空间重新组织，放入空闲块链表中；
   6. 设置剩余空闲空间的大小，分配最小空间的大小，用作其他两个函数使用；
   7. 恢复所有任务；
   8. 设置malloc失败的钩子函数（用户可配置）。
   9. 返回pvReturn。
3. free步骤：
   1. 挂起所有任务，保证线程安全；
   2. 设置全局变量，完成释放操作，并将链表节点使用函数prvInsertBlockIntoFreeList放到空闲链表中；
   3. 恢复所有任务。
4. prvInsertBlockIntoFreeList（将相邻内存合并操作放到这里）
   1. 遍历找到左位置；
   2. 左合并，pxIterator + pxIterator->xBlockSize == pxBlockToInsert;
   3. 右合并，pxBlockToInsert + pxBlockToInsert->xBlockSize == pxIterator->pxNextFreeBlock;
   4. 不合并，pxIterator->pxNextFreeBlock = pxBlockToInsert。

五、API总结

1. void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );分配
2. void vPortFree( void * pv );释放
3. size_t xPortGetFreeHeapSize( void );获得当前的空闲内存
4. size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );获得运行过程中空闲内存的最小值
5. vApplicationMallocFailedHook();malloc失败的钩子函数