FreeRTOS代码剖析之2：内存管理Heap

在FreeRTOS8.0.1这个版本中，一共有四个内存堆模型。这一次讲的就是第二个模型Heap_2.c。从一开始就可以看到注释中对Heap_2的模型解释：这是对pvPortMalloc()和vPortFree()的简单实现，除了可以分配内存之外，还可以对已分配的内存进行回收，但相邻空闲块不会进行合并，因此会造成一定的内存碎片。（A sample implementation of pvPortMalloc() and vPortFree() that permits allocated blocks to be freed, but does not combine adjacent free blocks into a single larger block (and so will fragment memory).）

在Heap_2中，由于开始支持对内存进行回收，因此FreeRTOS以空闲块对内存堆进行管理，并且使用了最佳适配算法(best fit algorithm)去进行内存的分配。

首先，还是由内存中开辟一个静态数组ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]作为FreeRTOS的内存堆。同样也会因为对齐的原因FreeRTOS对内存堆的可用空间进行了调整，并定义了常量configADJUSTED_HEAP_SIZE。（具体已在上一篇《内存管理Heap_1.c》中介绍）

接下来可以留意Heap_2.c中最重要的结构struct A_BLOCK_LINK。由于FreeRTOS用空闲块对内存堆进行管理，于是用这一个结构来形成一条空闲块链表对空闲块进行组织和管理。
/* Define the linked list structure. This is used to link free blocks in order of their size. */
typedef struct A_BLOCK_LINK
{
struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock; /*<< The next free block in the list. */
size_t xBlockSize; /*<< The size of the free block. */
} BlockLink_t;

这个结构有两个成员，第一个是节点Next指针pxNextFreeBlock，第二个是空闲块大小。一个空闲块就用这样的一个结构节点表示，所有节点通过Next指针形成一条空闲块链表。FreeRTOS还定义了这个链表的头xStart和尾xEnd。
/* Create a couple of list links to mark the start and end of the list. */
static BlockLink_t xStart, xEnd;

与Heap_1不同，在Heap_2中会有一个堆初始化的过程prvHeapInit()。这一个过程被pvPortMalloc()调用，但只被调用一次。主要还是对内存堆进行对齐还有对空闲块表进行初始化工作。下面是它的工作流程。

首先，初始化流程对整个内存堆进行地址对齐工作。对齐的原因的原理与Heap_1一样。
/* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) &ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) & ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) ~portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );

在获取到地址对齐后的内存堆首地址之后，就要对空闲块链表进行初始化。留意，xStart是链表头，并不表示一个空闲块，xEnd是链表尾，也不表示一个空闲块，但记录着整个堆的大小。其代码如下：
/* xStart is used to hold a pointer to the first item in the list of free
blocks. The void cast is used to prevent compiler warnings. */
xStart.pxNextFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap;
xStart.xBlockSize = ( size_t ) 0;

/* xEnd is used to mark the end of the list of free blocks. */
xEnd.xBlockSize = configADJUSTED_HEAP_SIZE;
xEnd.pxNextFreeBlock = NULL;

/* To start with there is a single free block that is sized to take up the
entire heap space. */
pxFirstFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap;
pxFirstFreeBlock->xBlockSize = configADJUSTED_HEAP_SIZE;
pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock = &xEnd;

经过上面的初始化流程后，整个链表如下图所示。注意，xStart和xEnd是存在于静态存储区中，并不在FreeRTOS申请的内存堆数组中，但初始时第一个节点却在内存堆数组中。我用的编译器是Keil MDK 5.11，并且将FreeRTOS移植到STM32上，因此一个A_BLOCK_LINK的大小为8个字节。

整个初始化的流程就完成了。接下来看看pvPortMalloc()分配内存的流程。如Heap_1一样，在真正开始分配内存时，用vTaskSuspendAll()挂起所有任务，防止分配内存的过程被中断，确保操作的原子性。紧接着，如果是第一次调用pvPortMalloc()，则调用prvHeapInit()对内存堆和空闲块链表进行初始化。由于在Heap_2中将内存堆用空闲块处理，因此用户每申请一次内存，FreeRTOS都会在申请的空间前加上空闲块头部BlockLink_t，用于记录分配出去的空间的大小。因此，真正要分配的内存空间大小就等于用户申请的内存空间大小加上空闲块头部的大小。加上头部之后，还要对整个大小进行对齐。因此，在真正分配空间之前，FreeRTOS都对用户申请的空间大小进行了调整。如下面的代码所示。
/* The wanted size is increased so it can contain a BlockLink_t
structure in addition to the requested amount of bytes. */
if( xWantedSize > 0 )
{
xWantedSize += heapSTRUCT_SIZE;