09 - 内存管理

FreeRTOS 内核在创建任务、队列、信号量等对象时需要动态分配内存。但标准 C 库的 malloc()/free() 在嵌入式系统上有诸多问题（不可重入、实现不一定确定、可能产生碎片等），因此 FreeRTOS 将内存管理作为可移植层的一部分，提供了 5 种内存分配方案，位于 portable/MemMang/ 目录下。

你可以选择其中一种（也可以自己实现），在项目中编译对应的 heap_x.c 文件。

五种方案总览

方案	分配	释放	合并相邻空闲块	适用场景
heap_1	✅	❌ 不支持	N/A	只创建不删除的系统（最简单安全）
heap_2	✅	✅	❌ 不合并	⚠️ 已被 heap_4 取代
heap_3	✅	✅	取决于编译器	使用编译器自带的 malloc/free
heap_4	✅	✅	✅ 合并	最常用，反复创建删除的系统
heap_5	✅	✅	✅ 合并（支持多内存区）	内存不连续的系统

heap_1.c：只分配不释放

最简单的实现。预先定义一个大数组 ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE] 作为堆空间，每次分配就从数组中切一块，指针往后挪。不支持 vPortFree()。

分配过程：

初始：|----------------------------------------------------------| ucHeap
       ↑
       pucAlignedHeap

第一次分配（TCB）：|███████|---------------------------------------------|
                  ↑      ↑
                 start   pucAlignedHeap（后移）

第二次分配（栈）：|███████|████████|--------------------------------------|
                         ↑       ↑
                       start    pucAlignedHeap（继续后移）

适用场景：

• 系统启动时创建所有任务和内核对象，之后永远不删除
• 对安全性要求极高的系统（不存在碎片问题，行为完全确定）
• 大多数嵌入式产品实际上都属于这种模式

优点：代码最简单，执行时间确定，永远不会产生碎片。 缺点：不能释放内存。

heap_2.c：最佳适应（已废弃）

引入了空闲链表来管理空闲内存块，支持 vPortFree()。使用最佳适应算法（Best Fit）：分配时找能满足要求的最小空闲块。

分配示例：

空闲链表中有三块：5字节、25字节、100字节
请求分配 20 字节 → 选择 25 字节块（最接近且够大）
→ 分割为 20 字节（分配出去）+ 5 字节（回收到空闲链表）

致命缺点：不会合并相邻空闲块。释放后如果相邻有空闲块，它们不会合并成大块，导致内存碎片化。比如分配 20 字节后释放，留下 5 字节小块，多次分配释放后会产生大量无法利用的小碎片。

已被 heap_4 取代

heap_2 保留仅为了向后兼容。新代码使用 heap_4。

heap_3.c：包装标准 malloc

对编译器标准库的 malloc() 和 free() 做了一层线程安全包装——通过临时挂起调度器保证 malloc/free 不会被并发调用。

void *pvPortMalloc(size_t xWantedSize) {
    void *pvReturn;
    vTaskSuspendAll();        // 挂起调度器
    pvReturn = malloc(xWantedSize);  // 调用标准库 malloc
    xTaskResumeAll();         // 恢复调度器
    return pvReturn;
}

特点：

• 不使用 configTOTAL_HEAP_SIZE，堆大小由链接器脚本决定
• 不定义 ucHeap 数组
• 线程安全，但 malloc()/free() 的执行时间通常不确定
• 取决于编译器提供的 malloc 实现是否适合嵌入式（有些会产生碎片）

适用场景：你信任编译器的 malloc 实现，或者需要和使用 malloc 的其他代码库共存。

heap_4.c：首次适应+合并（最常用）

和 heap_1/heap_2 一样使用静态数组 ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]，但采用首次适应算法（First Fit），并且会合并相邻空闲块（coalescence），大幅减少碎片。

分配过程：

空闲块：5字节、200字节、100字节
请求 20 字节 → 从第一块开始扫描 → 第一个够大的是 200 字节块
→ 分割为 20 字节（分配）+ 180 字节（回收到空闲链表）

关键特性——释放时合并相邻块：

释放一个块时，检查它的"左邻"和"右舍"是否也是空闲块
如果是，就把它们合并成一个更大的连续块

例如释放 20 字节块后：
  左边 5 字节空闲，右边 180 字节空闲
  → 合并成 5+20+180 = 205 字节的大块

这有效解决了 heap_2 的碎片化问题。只要总剩余空间足够，总能分配到较大的连续块。

适用场景：

• 需要反复创建/删除任务、队列、信号量等内核对象的系统
• 绝大多数有动态内存需求的应用
• 最推荐使用的方案

内存碎片问题

虽然 heap_4 会合并相邻块，但在某些分配/释放模式下仍可能产生碎片。例如：

分配 [A][B][C][D] → 释放 B 和 D（不相邻）→ 空闲块 [A][ ][C][ ]
B 和 D 之间隔着 C，无法合并。如果需要分配大于 B 或 D 的块，即使总剩余空间够大也分不出来。

减少碎片的方法：

1. 尽量以**后进先出（LIFO）**的顺序分配/释放（后分配的先释放）
2. 避免频繁分配/释放不同大小的块
3. 一次性分配够大的 configTOTAL_HEAP_SIZE
4. 对于任务栈，考虑静态分配（xTaskCreateStatic）

heap_5.c：支持非连续内存

和 heap_4 使用相同的分配/释放/合并算法，区别在于 heap_5 可以将多个不连续的内存区域合并成一个堆使用。

// 需要在调用任何内核分配函数之前，先初始化 heap_5：
HeapRegion_t xHeapRegions[] = {
    { (uint8_t *)0x20000000, 0x10000 },  // 内部 SRAM：64KB，起始地址 0x20000000
    { (uint8_t *)0x60000000, 0x8000  },  // 外部 SRAM：32KB，起始地址 0x60000000
    { NULL, 0 }                           // 数组终止标记
};
vPortDefineHeapRegions(xHeapRegions);

适用场景：

• 系统有多个 RAM 区域（如内部 SRAM + 外部 SDRAM/SRAM）
• 内存映射中非连续的系统
• 希望把大缓冲区放在外部 RAM 而内核对象放在内部 RAM

使用 heap_5 必须先调用 vPortDefineHeapRegions()

在初始化堆区域之前，不能调用任何会分配内存的 API（包括 xTaskCreate()）。

堆大小配置：configTOTAL_HEAP_SIZE

对于 heap_1、heap_2、heap_4、heap_5，堆大小由 FreeRTOSConfig.h 中的 configTOTAL_HEAP_SIZE 决定（单位：字节）：

#define configTOTAL_HEAP_SIZE  ((size_t)(20 * 1024))  // 20KB 堆

如何确定堆大小？

FreeRTOS 提供了查询剩余堆空间的函数：

// 返回当前空闲堆内存大小（字节）
size_t xPortGetFreeHeapSize(void);

// 返回历史上最小的剩余堆空间（高水位标记）
size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize(void);  // heap_4 和 heap_5 支持

调优方法：

1. 先设一个偏大的值（比如 10KB）
2. 系统正常运行所有功能一段时间
3. 调用 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize() 查看最低剩多少
4. 最终设置 = 最低剩余 + 20%~30% 安全余量 + 实际使用量

内核对象内存占用参考

对象	大致内存占用（heap_4，Cortex-M）
任务（含 TCB）	~80 字节 + 栈大小（由 usStackDepth 决定）
队列	~80 字节 + 队列长度 × 项目大小
二值/计数信号量	~80 字节（队列结构复用）
互斥锁	~80 字节 + 少量额外字段
事件组	~36 字节
软件定时器	~60 字节/个
定时器命令队列	~80 字节 + configTIMER_QUEUE_LENGTH × 命令大小

内存分配失败钩子

// FreeRTOSConfig.h
#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK  1

// 应用层必须提供这个函数
void vApplicationMallocFailedHook(void)
{
    // pvPortMalloc() 返回 NULL 时被调用
    // 可以在这里：记录错误、LED闪烁报警、系统重启等
    taskDISABLE_INTERRUPTS();
    for(;;);  // 死循环，方便调试
}

选择建议

你的情况	选择
启动后创建所有对象，之后不删除	heap_1（最安全确定）
需要动态创建/删除对象	heap_4（首选）
有外部 RAM 或内存不连续	heap_5
必须用编译器的 malloc（和第三方库兼容）	heap_3
新代码	不要用 heap_2

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