FreeRTOS 堆内存管理

堆就是一段能动态分配的内存。
在STM32种，内存被分为4个段：.data、.bss、.heap、.stack
其中：.heap段就是能动态分配的内存区域，即单片机中的堆。

在标准的C语言中，我们可以用malloc()方法动态分配一段内存，通过free()方法释放内存。

/* 代码功能: 1. 要求用户通过控制台输入n个整数 2. 把所有n个整数通过控制台打印出来 */
int main(void)
{
    // #1. 通过控制台接收用户输入的数字n
    int n;
    printf("请输入数字的个数n的值: ");
    scanf("%d", &n);
    // #2. 创建一个长度为n的int数组
    int *pBuffer = (int *)malloc(sizeof(int) * n);
    // #3. 通过控制台接收用户输入的所有n个数字
    printf("请输入所有的数字: ");
    for(int i=0; i<n; i++) scanf("%d", &pBuffer[i]);
    // #4. 把接收到的数字打印出来
    printf("你输入的数字是: \n");
    for(int i=0; i<n; i++) printf("%d ", pBuffer[i]);
    // #5. 调用free()方法释放掉刚才动态分配的内存
    free(pBuffer);
}

FreeRTOS提供了5种堆内存管理方案：heap1、heap2、heap3、heap4、heap5

创建内核对象需要消耗内存，比如创建新任务时：

xTaskCreate(vTask1,"Task1",128,NULL,1,NULL);

FreeRTOS会为这个新任务，分配一段内存，来存储TCB（任务控制块，大小约100字节）和任务栈（任务栈深度*4字节=512字节），总共消耗大约600字节。
FreeRTOS使用动态方式分配这些内存，在堆中分配。

FreeRTOS为什么不使用标准C语言的malloc()和free()?

FreeRTOS自己创建了一套堆内存管理方案，即：heap1、heap2、heap3、heap4、heap5

FreeRTOS不使用malloc()和free()的原因：
1、标准C语言库的malloc()速度慢且不确定，影响实时性。
2、malloc()和free()容易产生内存碎片化的问题
3、malloc()和free()不具有可重入性

可重入：一个函数同时被多个任务调用而不出错。
例如：HAL_UART_Transmit就是一个不可重入函数，因为会竞争使用UART接口，会产生意想不到的结果。

在裸机程序中，同时只有一个程序在运行，即使一个函数不可重入，也没有影响。
但是在FreeRTOS中，包含多个任务，有可能同时使用malloc()方法分配内存，导致出错。
因此FreeRTOS自己创建了一套堆内存管理方案。

五种堆内存管理方案

FreeRTOS提供的5种堆内存管理方案分别是：heap1、heap2、heap3、heap4、heap5

	标准C语言库	FreeRTOS
分配内存	malloc()	pvPortMalloc()
释放内存	free()	vPortFree()

FreeRTOS提供的pvPortMalloc()与vPortFree()这两个编程接口和C语言标准库提供的两个堆内存管理接口使用方式是完全一致的。

例：使用STM32串口，用户通过串口发送n个整数，单片机把所有n个整数通过串口打印出来，功能参考上面的C语言代码。

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void vTask1(void *pvParameter)
{
	//1.从串口接收数字n
	uint8_t n;
	HAL_UART_Receive(&huart1,&n,1,HAL_MAX_DELAY);
	//2.分配一个长度为n的数组
	int *pBuffer = (int *)pvPortMalloc(sizeof(int) * n);
	//3.接收用户输入的n个整数，并保存到分配好的数组中
	for(int i = 0; i < n; i++)
	{
		uint8_t num;
		HAL_UART_Receive(&huart1, &num, 1, HAL_MAX_DELAY);
		pBuffer[i] = num;
	}
	//4.打印接收到的n个数字
	for(int i = 0; i < n; i++)
	{
		uint8_t num = pBuffer[i];
		HAL_UART_Transmit(&huart1, &num, 1, HAL_MAX_DELAY);
	}
	//5.释放掉分配的内存
	vPortFree(pBuffer);
	//6.删除任务自身
	vTaskDelete(NULL);
}
/* USER CODE END 0 */
 
/* USER CODE BEGIN 2 */
xTaskCreate( vTask1, "Task1", 128, NULL, 1 , NULL );
vTaskStartScheduler();//启用调度器
/* USER CODE END 2 */

实验现象：先通过串口发送03，代表分配长度为3个整数的数组，再发送99 88 77，串口会接收到99 88 77这三个数字。代表已经成功分配了内存。

分配内存

int *pBuffer = (int *)pvPortMalloc(sizeof(int) * n);

释放内存

vPortFree(pBuffer);

这两种方法，实际上是heap1~5提供的。

分配提供5种堆内存管理方案，分别用自己的方式实现了pvPortMalloc()和vPortFree()方法。
因此，使用FreeRTOS时，只需要保留一个，避免冲突。
应该根据自己的需要，选择一个，通常而言，heap_4.c是最常用的。

Heap_1

简单的堆内存管理方案，只能分配，不能释放。
即只能使用pvPortMalloc()分配，但是不能使用vPortFree()释放内存。

创建ucHeap数组，作为堆内存：

uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

堆内存的大小由configTOTAL_HEAP_SIZE这个配置项决定。

适用于只创建内核对象，不销毁内核对象的程序。
比如下面的LED灯闪烁程序：

void vLED1Task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
		HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
	}
	vTaskDelete(NULL);
}
 
void vLED2Task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
		HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
	}
	vTaskDelete(NULL);
}
 
/* USER CODE BEGIN 2 */
xTaskCreate(prvLEDTask, "LED1", 128, (void *)&led1BlinkInfo, 1, NULL);
xTaskCreate(prvLEDTask, "LED2", 128, (void *)&led2BlinkInfo, 1, NULL);
vTaskStartScheduler();//启用调度器
/* USER CODE END 2 */

上面的程序中，只创建了任务，但是没有删除任务，可以使用heap_1

下面包含删除任务的程序，就不适合使用heap_1

//LED的任务代码
static void prvLEDTask(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
		HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);
		vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
	}
}
 
//Task1的任务代码
static void prvTask1(void *pvParameters)
{
	//删除LED任务
	vTaskDelete(xLEDTaskHandle);
	//所有的代码都执行完毕，删除自身
	vTaskDelete(NULL);   
}

上方的程序包含任务的创建和删除，不适合使用heap_1。
因为删除任务的过程中会调用vPortFree()方法来释放内存，但heap_1没有实现该方法。

heap_2

是一种过时的堆内存管理方案，不建议使用。
该方案内存碎片化问题严重，推荐使用heap_4替代。
保留该方案，是为了和老版本兼容。

创建ucHeap数组，作为堆内存：

uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

堆内存的大小由configTOTAL_HEAP_SIZE这个配置项决定。

该方案采用最优匹配算法，不合并相邻空闲块。
最优匹配算法：每次调用pvPortMalloc()，都选择恰好满足要求的最小空闲块。

例：使用heap_2的前提下，执行下面的代码，configTOTAL_HEAP_SIZE = 256
1.p1 = pvPortMalloc(100);
2.p2 = pvPortMalloc(20);
3.p3 = pvPortMalloc(50);
4.vPortFree(p1);
5.vPortFree(p3);
6.p4 = pvPortMalloc(25);
7.p5 = pvPortMalloc(70);
8.p6 = pvPortMalloc(64);

上方的代码，到第8行时，已经没有足够的空间分配。
虽然最后的空间还足够，大于64个字节，但是heap_2不合并相邻块，剩下的空间被分割的太碎无法使用。

heap_4

采用最优匹配算法。
和heap_2的区别是：它可以合并相邻空闲块。
因此上例中，使用heap_4可以成功给p6分配内存。

heap_3

对标准库的malloc()和free()改造，让其有可重入性。
heap_3会在malloc()和free()执行期间，暂停调度器。
heap_3的pvPortMalloc实现方法：

    void * pvReturn;
    vTaskSuspendAll();//暂停调度器
    {
        pvReturn = malloc( xWantedSize );
        traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize );
    }
    ( void ) xTaskResumeAll();//恢复调度器

heap_3的vPortFree实现方法：

        vTaskSuspendAll();//暂停调度器
        {
            free( pv );
            traceFREE( pv, 0 );
        }
        ( void ) xTaskResumeAll();//恢复调度器

如果不在使用malloc期间，暂停调度器，FreeRTOS的调度器，可能在几个任务之间切换，可能会出现几个任务同时调用malloc的情况。malloc不可重入，同时执行会出现程序错误。

heap_5

类似于heap_4，采用最优匹配算法，合并相邻空闲块，但支持不连续内存。

一个单片机中，可能存在几个SRAM或外接SRAM，但这些SRAM地址不连续，需要让FreeRTOS管理的堆分散在多个不连续的内存之中，这时使用heap_5。

需要调用vPortDefineHeapRegions()提前定义好堆的位置。

例：heap_5的用法，管理不连续的内存。