1.1、堆栈

1、堆：即heap，一块空闲的内存，提供管理函数

malloc：从堆里面划出一块空间给程序使用

free：用完之后，标记空闲，可以再次使用

2、栈：即stack，函数调用时局部变量保存在栈中，当前程序环境可以保存在栈中，可以分配一块空间用作栈

堆（heap）意思就是被管理就叫做堆，栈（stack）就是栈寄存器指向的就叫做栈

1.3FreeRTOS内存管理方法

1、Heap_1

只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree。

• **pvPortMalloc**：用来分配内存的函数。你需要多少内存，它就给你分配，并返回一个指针指向这块内存。
• **vPortFree**：用来释放之前分配的内存的函数。当你不再需要某块内存时，调用它把内存还给系统。

即：适合分配一次内存后就一直使用的场景，不需要频繁释放内存。

（1）数组定义：

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/* Allocate the memory for the heap. */
##if ( configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP == 1 )

/* The application writer has already defined the array used for the RTOS
* heap -  probably so it can be placed in a special segment or address. */
    extern uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
##else
    static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
##endif /* configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP */

（2）调用pvPortMalloc，从这个数组中分配空间

FreeRTOS创建任务的时候，需要两个内核对象：task control block(TCB：任务控制块)，stack（栈）。

内存分配的过程如下：

2、Heap_2

在新设计中不在推荐使用Heap_2，建议使用Heap_4替代。

Heap_2也是在数组上分配内存，但是跟Heap_2不一样的地方在于：

• Heap_2使用最佳匹配算法(best fit)来分配内存
• 它支持vPortFree

最佳匹配算法：

• 假设heap有3块空闲内存：5字节、25字节、100字节
• pvPortMalloc想申请20字节
• 找出最小的、能满足pvPortMalloc的内存：25字节
• 把它划分为20字节、5字节
  • 返回这20字节的地址
  • 剩下的5字节仍然是空闲状态，留给后续的pvPortMalloc使用

总结：就是根据使用内存的大小，系统分配合适的空闲内存块

在Heap_2中不会像Heap_4那样合并相邻的空闲内存，所以Heap_2导致严重的“碎片化”问题

如果在申请、分配内存时大小总是相同的，使用Heap_2没有碎片化的问题，适合在场景例如：频繁创建、删除任务，任务的栈大小都是相同的

内存分配过程如下：

3、Heap_3

Heap_3使用标准的C库中的malloc、free函数，所以堆大小由链接器的配置决定，配置项的congfigTOTAL_HEAP_SIZE不起作用。

在这两个函数中并没有特别考虑线程安全，Heap_3先暂停FreeRTOS的调度器，再去调用这些函数，实现了线程安全。

4、Heap_4

Heap_4使用首次适应算法（first fit）分配内存。还会把相邻的空闲内存合并为一个更大的空闲内存，可以较少内存的碎片问题

首次适应算法：

• 假设堆中有3块空闲内存：5字节、200字节、100字节
• pvPortMalloc想申请20字节
• 找出第1个能满足pvPortMalloc的内存：200字节
• 把它划分为20字节、180字节
• 返回这20字节的地址
• 剩下的180字节仍然是空闲状态，留给后续的pvPortMalloc使用

适用场景：频繁分配、频繁释放不同大小的内存

5、Heap_5

分配内存、释放内存的算法和Heap_4一样

相比于Heap_4，Heap_5并不局限于管理一个大数组，可以管理多块、分隔的内存。在嵌入式中，内存地址可能并不连续，这种场景下可以使用Heap_5。

内存是分隔开的，那么需要进行初始化：确认这些内存块在哪里，多大

• 在使用pvPortMalloc之前，必须先指定内存块的信息
• 使用vPortDefineHeapRegions来指定这些信息

指定一块内存：

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typedef struct HeapRegion
{
    uint8_t * pucStartAddress; // 起始地址
    size_t xSizeInBytes;       // 大小
} HeapRegion_t;

指定多块内存，使用一个HeapRegion_t数组，在这个数组中，低地址在前，高地址在后

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HeapRegion_t xHeapRegions[] =
{
  { ( uint8_t * ) 0x80000000UL, 0x10000 }, // 起始地址0x80000000，大小0x10000
  { ( uint8_t * ) 0x90000000UL, 0xa0000 }, // 起始地址0x90000000，大小0xa0000
  { NULL, 0 } // 表示数组结束
 };

vPortDefineHeapRegions函数原型

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void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions );

把xHeapRegions数组传给vPortDefineHeapRegions函数，就是先初始化。

Heap相关的函数

pvPortMalloc/vPortFree

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void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize );
void vPortFree( void * pv );

作用：分配内存，释放内存，如果分配内存不成功，返回NULL

xPortGetFreeHeapSize

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size_t xPortGetFreeHeapSize( void );

当前还有多少空闲内存，这函数可以用来优化内存的使用情况。比如当所有内核对象都分配好后，执行此函数返回2000，那么configTOTAL_HEAP_SIZE就可减小2000。

注意：在heap_3无法使用

xPortGetMinimumEverFreeHeapSize

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size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void );

返回：程序运行中，空闲内存容量的最小值

注意：只有heap_4,5支持此函数

malloc失败的钩子函数

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void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )vPortDefineHeapRegions
{
    ......
    #if ( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )
        {
            if( pvReturn == NULL )
            {
                extern void vApplicationMallocFailedHook( void );
                vApplicationMallocFailedHook();
            }
        }
    #endif
  
    return pvReturn;      
}

• 在FreeRTOSConfig.h中，把configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK定义为1
• 提供vApplicationMallocFailedHook函数
• pvPortMalloc失败时，才会调用此函数