第21章 内存管理

一、内存管理的基本概念

存储空间分：内部存储空间（RAM）和外部存储空间；

内部存储空间访问速度较快，能够按照变量地址随机访问；

外部存储空间保存的数据比较固定，掉电后都不会丢失

FreeRTOS有5种内存管理算法：heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c、

内存管理需要考虑的因素：可靠性、内存申请时间、产生的内存碎片

二、内存管理的应用场景

内存管理的主要工作是动态划分并管理用户分配好的内存区间，在用户需要使用大小不等的内存块的场景中使用，需要分配内存时，通过操作系统内存申请函数索取指定大小内存块，用完后，通过动态内存释放函数归还所占用的内存

三、内存管理方案详解

通用接口

1.第一种方式heap_1.c

heap_1提供的内存管理机制是，只能申请内存而不能进行内存释放，且申请内存的时间是一个常量；内存利用率不高，但不会产生碎片

使用两个静态变量进行管理：xNextFreeByte，空闲内存的偏移量；pucAligendHeap指向对齐后的内存堆起始地址，初始时不一定是&ucHeap[0]，因为ucHeap[0]不一定是8byte对齐，pucAligendHeap是对齐后的起始地址

（1）内存申请：需求内存的大小进行对齐（如8字节对齐的，申请30byte的时候，就会申请到32byte）-----调度器挂起-----申请内存---更新空闲内存偏移量----恢复调度器-----返回申请的地址

（2）其他函数：

vPortFree()没有用上，该方式的内存管理，只申请，不释放

vPortInitialiseBlocks：函数仅将xNextFreeByte设置为0

xPortGetFreeHeapSize：返回未使用的内存大小，用总内存大小，减去xNextFreeByte

2.heap_2.c

采用最佳匹配算法（best fit algorithm），从可申请内存中选出大小最匹配的内存块，且支持内存释放，但是不能把相邻的两个小内存块合并成一个大的内存块，每次申请内存大小不固定，而且不会合并，导致非常容易产生碎片

机制：在内存中开辟一个静态数组作为堆的空间，并采用链表记录空闲内存块

（1）内存初始化prvHeapInit()

分配链表头，链表尾，可用内存空间，初始化后，链表由3个节点：

（2）内存申请函数pvPortMalloc

采用最佳匹配算法管理内存：内存块空闲链表按照内存块大小升序排列，每个节点保存一个空闲内存块的信息，也就是每个节点的内容是内存块信息+空闲内存；

从链表中查找合适的大小的节点

找到合适节点pxBlock后，从链表中移除，

加入pxBlock节点的内存大小使用不完，将剩下的内存插入到链表中

（3）内存释放

根据需要释放的内存地址找到节点起始地址，起始地址是释放的内存地址减去节点信息数据地址，最后插入空闲链表

3.heap_3.c

heap_3只是简单的封装了标准C库里的malloc和free函数，在启动文件里已经配置好

4.heap_4.c

heap_4方案是在heap_2方案上，添加了合并算法，即将（地址）相邻的空闲内存块进行合并，使之变成更大的块，从而减少内存碎片

内存空闲块链表以内存块起始地址大小进行排序（heap_2是按照块大小升序排序）

（1）内存申请pvPortMalloc

从链表头开始遍历找到合适内存块，取出需要的内存大小部分返回，并将该内存块大小的最高为置1标记为已用，剩下内存块组成新的空闲块，按照空闲内存块起始地址大小插入空闲块链表

新空闲内存块插入链表

内存块大小最高位置1标志内存块已用

（2）初始化prvHeapInit()，链表头指向的是对齐后的堆起始地址

（3）释放内存

根据需要释放的内存的地址，反推该内存所在的节点地址，并且根据节点大小的最高位是否为1标记已用，为1则清除标记然后插入链表中

（4）插入链表

链表是以节点地址升序排序，因此找到链表节点后，插入，并判断新插入的前后节点是否为空，为空则进行合并

5.heap_5.c

heap_5方案与heap_4方案类似，只是heap_5的方案允许内存堆跨越非连续的内存区，即允许在不连续的内存堆里实现内存分配。

（1）初始化vPortDefineHeapRegions

将内存堆区域的起始地址和内存堆大小当道HeapRegion_t的数组中

将数组元素用链表连接起来，每个数组元素是一个节点

（2）内存申请，释放均与Heap_4方案一样

学习心得：

1.内存管理：根据不同的策略进行内存的分配，回收，用链表管理空闲内存块

2.5种分配方案：

（1）heap_1：最简单，只申请，不释放

（2）heap_2：相对也很简单，可以申请，也可以释放，内存块被切割之后，不会合并，空闲内存块链表以空闲内存块大小升序排序

（3）heap_3：调用标准C库的Malloc和free函数，堆内存大小在启动文件的汇编定义startup_stm32f10x_hd.lst

（4）heap_4：比较完美的内存管理方案，可申请，可释放，释放内存的时候可以将前后连续空闲的内存块合并，编程更大的内存块，空闲内存块链表以内存块起始地址大小升序排序

（5）heap_5：在heap_4方案上，允许不连续的内存堆进行分配，分配方式与heap_4是相同的，堆内存初始化方法不样，需要将进入管理的内存以数组形式列举出来，并添加到队列中

问题：

1.堆内存与栈内存

2.RAM和SDRAM