FreeRTOS代碼剖析之2：內(nèi)存管理Heap

FreeRTOS代碼剖析之2：內(nèi)存管理Heap在FreeRTOS8.0.1這個(gè)版本中，一共有四個(gè)內(nèi)存堆模型。這一次講的就是第二個(gè)模型Heap_2.c。從一開(kāi)始就可以看到注釋中對(duì)Heap_2的模型解釋：這是對(duì)pvPortMalloc()和vPortFree()的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，除了可以分配內(nèi)存之外，還可以對(duì)已分配的內(nèi)存進(jìn)行回收，但相鄰空閑塊不會(huì)進(jìn)行合并，因此會(huì)造成一定的內(nèi)存碎片。（AsampleimplementationofpvPortMalloc()andvPortFree()thatpermitsallocatedblockstobefreed,butdoesnotcombineadjacentfreeblocksintoasinglelargerblock(andsowillfragmentmemory).）在Heap_2中，由于開(kāi)始支持對(duì)內(nèi)存進(jìn)行回收，因此FreeRTOS以空閑塊對(duì)內(nèi)存堆進(jìn)行管理，并且使用了最佳適配算法(bestfitalgorithm)去進(jìn)行內(nèi)存的分配。首先，還是由內(nèi)存中開(kāi)辟一個(gè)靜態(tài)數(shù)組ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]作為FreeRTOS的內(nèi)存堆。同樣也會(huì)因?yàn)閷?duì)齊的原因FreeRTOS對(duì)內(nèi)存堆的可用空間進(jìn)行了調(diào)整，并定義了常量configADJUSTED_HEAP_SIZE。（具體已在上一篇《內(nèi)存管理Heap_1.c》中介紹）接下來(lái)可以留意Heap_2.c中最重要的結(jié)構(gòu)structA_BLOCK_LINK。由于FreeRTOS用空閑塊對(duì)內(nèi)存堆進(jìn)行管理，于是用這一個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)形成一條空閑塊鏈表對(duì)空閑塊進(jìn)行組織和管理。

/*Definethelinkedliststructure.Thisisusedtolinkfreeblocksinorderoftheirsize.*/

typedefstructA_BLOCK_LINK

{

structA_BLOCK_LINK*pxNextFreeBlock;/*<<Thenextfreeblockinthelist.*/

size_txBlockSize;/*<<Thesizeofthefreeblock.*/

}BlockLink_t;這個(gè)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)成員，第一個(gè)是節(jié)點(diǎn)Next指針pxNextFreeBlock，第二個(gè)是空閑塊大小。一個(gè)空閑塊就用這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)表示，所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)Next指針形成一條空閑塊鏈表。FreeRTOS還定義了這個(gè)鏈表的頭xStart和尾xEnd。

/*Createacoupleoflistlinkstomarkthestartandendofthelist.*/

staticBlockLink_txStart,xEnd;與Heap_1不同，在Heap_2中會(huì)有一個(gè)堆初始化的過(guò)程prvHeapInit()。這一個(gè)過(guò)程被pvPortMalloc()調(diào)用，但只被調(diào)用一次。主要還是對(duì)內(nèi)存堆進(jìn)行對(duì)齊還有對(duì)空閑塊表進(jìn)行初始化工作。下面是它的工作流程。首先，初始化流程對(duì)整個(gè)內(nèi)存堆進(jìn)行地址對(duì)齊工作。對(duì)齊的原因的原理與Heap_1一樣。

/*Ensuretheheapstartsonacorrectlyalignedboundary.*/

pucAlignedHeap=(uint8_t*)(((portPOINTER_SIZE_TYPE)&ucHeap[portBYTE_ALIGNMENT])&((portPOINTER_SIZE_TYPE)~portBYTE_ALIGNMENT_MASK));在獲取到地址對(duì)齊后的內(nèi)存堆首地址之后，就要對(duì)空閑塊鏈表進(jìn)行初始化。留意，xStart是鏈表頭，并不表示一個(gè)空閑塊，xEnd是鏈表尾，也不表示一個(gè)空閑塊，但記錄著整個(gè)堆的大小。其代碼如下：

/*xStartisusedtoholdapointertothefirstiteminthelistoffree

blocks.Thevoidcastisusedtopreventcompilerwarnings.*/

xStart.pxNextFreeBlock=(void*)pucAlignedHeap;

xStart.xBlockSize=(size_t)0;/*xEndisusedtomarktheendofthelistoffreeblocks.*/

xEnd.xBlockSize=configADJUSTED_HEAP_SIZE;

xEnd.pxNextFreeBlock=NULL;/*Tostartwiththereisasinglefreeblockthatissizedtotakeupthe

entireheapspace.*/

pxFirstFreeBlock=(void*)pucAlignedHeap;

pxFirstFreeBlock->xBlockSize=configADJUSTED_HEAP_SIZE;

pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock=&xEnd;經(jīng)過(guò)上面的初始化流程后，整個(gè)鏈表如下圖所示。注意，xStart和xEnd是存在于靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)中，并不在FreeRTOS申請(qǐng)的內(nèi)存堆數(shù)組中，但初始時(shí)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)卻在內(nèi)存堆數(shù)組中。我用的編譯器是KeilMDK5.11，并且將FreeRTOS移植到STM32上，因此一個(gè)A_BLOCK_LINK的大小為8個(gè)字節(jié)。整個(gè)初始化的流程就完成了。接下來(lái)看看pvPortMalloc()分配內(nèi)存的流程。如Heap_1一樣，在真正開(kāi)始分配內(nèi)存時(shí)，用vTaskSuspendAll()掛起所有任務(wù)，防止分配內(nèi)存的過(guò)程被中斷，確保操作的原子性。緊接著，如果是第一次調(diào)用pvPortMalloc()，則調(diào)用prvHeapInit()對(duì)內(nèi)存堆和空閑塊鏈表進(jìn)行初始化。由于在Heap_2中將內(nèi)存堆用空閑塊處理，因此用戶每申請(qǐng)一次內(nèi)存，F(xiàn)reeRTOS都會(huì)在申請(qǐng)的空間前加上空閑塊頭部BlockLink_t，用于記錄分配出去的空間的大小。因此，真正要分配的內(nèi)存空間大小就等于用戶申請(qǐng)的內(nèi)存空間大小加上空閑塊頭部的大小。加上頭部之后，還要對(duì)整個(gè)大小進(jìn)行對(duì)齊。因此，在真正分配空間之前，F(xiàn)reeRTOS都對(duì)用戶申請(qǐng)的空間大小進(jìn)行了調(diào)整。如下面的代碼所示。

/*Thewantedsizeisincrease