RT-Thread记录（八、理解RT-Thread内存管理）

RT-Thread内核的我们已经基本都学习过了，除了基本的线程操作和通信，
内核部分还有内存管理和中断处理，本文主要就来说说内存管理相关问题。

目录

前言
一、为什么要内存管理
二、RT-Thread 内存堆管理
2.1 RT-Thread 内存分配
2.2 RT-Thread内存堆管理方式
2.2.1 内存堆管理的3种方式
2.2.2 管理方式的程序配置
2.3 内存堆 API 函数
三、RT-Thread 内存池
3.1 内存池的位置
3.2 内存池程序配置和控制块
3.3 内存池操作 API 函数
结语

前言

记得最初学习 RT-Thread ，对于内存管理我也是简单看看然后一笔带过，当时觉得用不上，在我做的一些传感器单品项目上，对于内存管理确实知道与不知道没什么关系，但是随着认知的增长，项目复杂程度增加，发现内存管理还不可或缺，于是今时今日正好再次来更新 RT-Thread记录，有必要好好的说一说。

RT-Thread 有2种内存管理方式，分别是动态内存堆管理和静态内存池管理。

先不管这两种方式是怎么实现的，首先要明白一个问题，为什么要内存管理？

本 RT-Thread 专栏记录的开发环境：
RT-Thread记录（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio开发环境 及 配合CubeMX开发快速上手）
RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析）
RT-Thread 内核篇系列博文链接：
RT-Thread记录（三、RT-Thread 线程操作函数及线程管理与FreeRTOS的比较）
RT-Thread记录（四、RT-Thread 时钟节拍和软件定时器）
RT-Thread记录（五、RT-Thread 临界区保护）
RT-Thread记录（六、IPC机制之信号量、互斥量和事件集）
RT-Thread记录（七、IPC机制之邮箱、消息队列）

一、为什么要内存管理

什么是内存管理？为什么需要内存管理？

在我们的程序设计中，一些数据需要的内存大小需要在程序运行过程中根据实际情况确定，在用户需要一段内存空间时，向系统申请，系统选择一段合适的内存空间分配给用户，用户使用完毕后，再释放回系统，以便系统将该段内存空间回收再利用。

这样子不断的申请释放，如果没有内存管理，就会导致内存碎片，对程序产生极大的影响。

具体的原因我在下面博文有详细说明：浅谈 malloc 函数在单片机上的应用

如果看完上面的博文，就应该知道了内存管理的重要性。

我们确实直接在函数或者线程里面创建临时变量使用 线程栈 或 者系统栈处理临时变量，但是正如上面博文里面所说的，作为一个通用的操作系统，都会且必须得有自己的合理的内存管理方式。
这个在我们现在说明的 RT-Thread 操作系统上是内核已经实现好的，我们得了解它。

知道了为什么，那么接下来我们就来了解一下 RT-Thread 的这2种内存管理方式。

二、RT-Thread 内存堆管理

现在看看内存堆管理， 所谓堆，看过我博文的朋友应该已经很熟悉了，对于裸机中的堆的位置，大小设定都应该会有一个详细的认知，如果还不知道堆，可以查看下面这篇博文一步到位的理解：

STM32的内存管理相关（内存架构，内存管理，map文件分析）

上文虽然是以STM32为例子说明，但是对于 C/C++ 程序编译后的存储数据段 在不同芯片上的顺序基本都是一样的，于是乎在我的又一篇博文中

嵌入式RTOS的 任务栈 和 系统栈

就得到了一张内存分配的示意图：

2.1 RT-Thread 内存分配

要理解 RT-Thread 内存堆管理，首先得知道它管理的是哪一块内存，所以得知道 RT-Thread 内存分配。

其实细心的朋友会发现，我在前面文章《RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析）》

中提到过 RT-Thread 内存分配情况，在其中的 2.2.2 RT-Thread 堆和栈空间说明（与FreeRTOS不同）有过说明：

通过上面的分析，我们可以得到 RT-Thread 下的内存分配的示意图：

通过上面我们自己的分析，再结合官方说明文档的说明，我们应该能完全明白了什么是 RT-Thread 的内存堆：

至此，我们可以确实的明白，RT-Thread 内存管理管理的是哪一部分的内存了。

2.2 RT-Thread内存堆管理方式

那么RT-Thread 对于内存堆，是如何管理的呢？

说明：对于这部分，我个人记录是以知道为主，毕竟我们专栏以应用为主，我们了解会用即可，如果以后确实自己会需要自己写内存管理，肯定会单独更新一篇博文。
我们先前的基础介绍直接使用官网说明，本节后部分会说明下程序中是怎么选择使用的。

2.2.1 内存堆管理的3种方式

RT-Thread 内存堆管理又根据具体内存设备划分为三种情况：

• 针对小内存块的分配管理（小内存管理算法）
• 针对大内存块的分配管理（slab 管理算法）
• 针对多内存堆的分配情况（memheap 管理算法）

这里套用官方的介绍做个简单说明（如果需要深入了解可以去官网查看）:

2.2.2 管理方式的程序配置

我们上面 简单介绍了RT-Thread 内存堆管理的3种方式，虽然我们没有详细分析内部是如何实现，那么我们也得了解在 RT-Thread 工程中，是怎么配置使用哪一种管理方式，同时了解这些方式的实现在程序什么文件中。

在工程的rtconfig.h中有关于内存管理方式的配置：

上图是使用小内存堆管理算法。

如果是使用 slab 管理算法，需要宏定义如下：

#define RT_USING_SLAB
#define RT_USING_HEAP

如果是使用 memheap 管理算法，需要宏定义如下：

#define RT_USING_MEMHEAP_AS_HEAP

具体的实现文件是在工程 mem.c 文件中，如下图：

RT-Thread 内存管理详细的实现方式可以自行查看该文件，这里就不过多介绍。

2.3 内存堆 API 函数

对于 RT-Thread 内存堆管理，是有自己的 malloc 函数，不能直接用 c 语言库中原始的malloc 函数。

其 三种管理算法提供的 API 都是相同的。

初始化：

首先是初始化函数：

/*小内存堆和slab 管理算法*/
void rt_system_heap_init(void* begin_addr, void* end_addr);

/*memheap 管理算法*/
rt_err_t rt_memheap_init(struct rt_memheap  *memheap,
                        const char  *name,
                        void        *start_addr,
                        rt_uint32_t size)

我在《RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析）》板级硬件初始化 — rt_hw_board_init 小结中提到过 这个函数：

RT-Thread内存堆初始化函数是在系统启动时候初始化的，而不是我们用户在main函数中再初始化的。

内存管理操作函数：

简单记录一下:

/*
分配内存块
参数：
nbytes 	需要分配的内存块的大小，单位为字节
返回 	——
分配的内存块地址 	成功
RT_NULL 	失败
*/
void *rt_malloc(rt_size_t nbytes);
/*
释放内存块
参数：
ptr 	待释放的内存块指针
*/
void rt_free (void *ptr);
/*
重分配内存块
参数 	描述
rmem 	指向已分配的内存块
newsize 	重新分配的内存大小
返回 	——
重新分配的内存块地址 	成功
*/
void *rt_realloc(void *rmem, rt_size_t newsize);
/*
分配多内存块
参数 	描述
count 	内存块数量
size 	内存块容量
返回 	——
指向第一个内存块地址的指针 	成功 ，并且所有分配的内存块都被初始化成零。
RT_NULL 	分配失败
*/
void *rt_calloc(rt_size_t count, rt_size_t size);

/*
设置内存钩子函数
参数 	描述
hook 	钩子函数指针
*/
void rt_malloc_sethook(void (*hook)(void *ptr, rt_size_t size));
/*
上面函数的hook 函数接口
参数 	描述
ptr 	分配到的内存块指针
size 	分配到的内存块的大小
*/
void hook(void *ptr, rt_size_t size)；

/*
释放内存钩子函数
参数 	描述
hook 	钩子函数指针
*/
void rt_free_sethook(void (*hook)(void *ptr));
/*
上面函数的hook 函数接口
参数 	描述
ptr 	待释放的内存块指针
*/
void hook(void *ptr);

释放内存块后要清空内存块指针，不然会成为野指针。

三、RT-Thread 内存池

RT-Thread 的第二种内存管理方式是 内存池，内存池是一种内存分配方式，用于分配大量大小相同的小内存块，它可以极大地加快内存分配与释放的速度，且能尽量避免内存碎片化。
他是为了提高内存分配的效率，并且避免内存碎片而产生的。

基本介绍套用官方说明：

内存池属于 内核对象！！支持线程挂起功能。

内核对线什么意思？就是我们前面说到的，线程，IPC机制，这些东西都是内核对象，所以存在 内存池 控制块。

有一个点要注意，内存池申请的内存块大小固定！

3.1 内存池的位置

内存池也是内存管理，那么他创建的之后在内存的什么位置呢？

首先明白内存池作为一个对象，其实可以认为是一个变量，那么他基本上就是属于.bss段的东西了，在RT-Thread 中，他的位置应该是在 .bss段的。

我们按照上面的内存分配的示意图说明一下内存池申请的内存位置：

为了验证一下是否如此，可以初始化一个内存池，编译后查看一下.map文件：

内存池属于.bss段的数据，只不过他一般来说都是申请的相对比较大的一块内存空间，然后在这个大空间内自己有自己的分配管理方式。

3.2 内存池程序配置和控制块

内存池程序配置：

RT-Thread 的内存池在程序中的配置和实现文件如下图：

内存池控制块：（因为是内对象，所以还是熟悉的配方，熟悉的味道~ ~）

struct rt_mempool
{
    struct rt_object parent;

    void        *start_address;  /* 内存池数据区域开始地址 */
    rt_size_t     size;           /* 内存池数据区域大小 */

    rt_size_t     block_size;    /* 内存块大小  */
    rt_uint8_t    *block_list;   /* 内存块列表  */

    /* 内存池数据区域中能够容纳的最大内存块数  */
    rt_size_t     block_total_count;
    /* 内存池中空闲的内存块数  */
    rt_size_t     block_free_count;
    /* 因为内存块不可用而挂起的线程列表 */
    rt_list_t     suspend_thread;
    /* 因为内存块不可用而挂起的线程数 */
    rt_size_t     suspend_thread_count;
};
typedef struct rt_mempool* rt_mp_t;

内存池具体管理方法的实现可以自己查看下源码，这里暂时不做深入研究。

3.3 内存池操作 API 函数

内存池作为内核对象，那么他的操作就和以前那些IPC机制，线程一样的方式，分为动态创建，静态初始化这些。

并不需要在 板级初始化的时候就初始化。用户可以自己选择用于不用。

简单记录说明一下内存池操作函数：

/*
创建内存池
参数 	描述
name 	内存池名
block_count 	内存块数量
block_size 	内存块容量
返回 	——
内存池的句柄 	创建内存池对象成功
RT_NULL 	创建失败
*/
rt_mp_t rt_mp_create(const char* name,
                         rt_size_t block_count,
                         rt_size_t block_size);
/*
删除内存池
参数 	描述
mp 	rt_mp_create 返回的内存池对象句柄
返回 	——
RT_EOK 	删除成功
*/
rt_err_t rt_mp_delete(rt_mp_t mp);
/*
初始化内存池
参数 	描述
mp 	内存池对象
name 	内存池名
start 	内存池的起始位置
size 	内存池数据区域大小
block_size 	内存块容量
返回 	——
RT_EOK 	初始化成功
- RT_ERROR 	失败
*/
rt_err_t rt_mp_init(rt_mp_t mp,
                        const char* name,
                        void *start, rt_size_t size,
                        rt_size_t block_size);
/*
脱离内存池
参数 	描述
mp 	内存池对象
返回 	——
RT_EOK 	成功
*/
rt_err_t rt_mp_detach(rt_mp_t mp);
/*
分配内存块
参数 	描述
mp 	内存池对象
time 	超时时间
返回 	——
分配的内存块地址 	成功
RT_NULL 	失败
*/
void *rt_mp_alloc (rt_mp_t mp, rt_int32_t time);
/*
释放内存块
参数 	描述
block 	内存块指针
*/
void rt_mp_free (void *block);

结语

本文从为什么要内存管理说起，了解了 RT-Thread 的2种内存管理方式：内存堆 和 内存池。

相信不管你平时用不用动态内存申请，看了这篇文章以后也会对 RT-Thread 的内存管理有一定的了解，在以后需要用到动态内存分配的同时也不会手足无措！

但是特别注意，不管使用哪种方式，在申请的内存使用完之后都必须及时释放，而且要注意清空相应的指针！

但是本文的重点在于理解 为什么要内存管理，和 内存管理管理的是哪一块的内存，对于如何实现内存管理我们只是借用了官方的说明，还是没有深入的研究分析。这个需要等以后我有机会自己写一套内存管理方式的时候，或许会单独开一篇文章深入分析。

谢谢！

审核编辑：汤梓红