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FreeRTOS中不同版本Heap的区别以及适用情况
2025-09-26 03:10:37 2014德国世界杯
一.在freeRTOS中heap是用来干嘛的？
heap（堆）是操作系统用于动态内存分配的一块内存区域。在嵌入式系统开发中，动态内存管理是非常重要的一部分，它允许程序在运行时根据需要分配和释放内存资源。
二.为什么要自己实现内存管理？
为了让FreeRTOS更容易使用，task、 queue、 semaphores和event group等内核对象一般都是动态分配：用到时分配，不使用时释放。 使用内存的动态管理功能，简化了程序设计：不再需要小心翼翼地提前规划各类对象，简化API函数的涉及，甚至可以减少内存的使用。
内存的动态管理是C程序的知识范畴，并不属于FreeRTOS的知识范畴，但是它跟FreeRTOS关系是如此紧密。
在C语言的库函数中，有mallc、 free等函数，但是在FreeRTOS中，它们不适用：
⚫ 不适合用在资源紧缺的嵌入式系统中
⚫ 这些函数的实现过于复杂、占据的代码空间太大
⚫ 并非线程安全的(thread-safe)
⚫ 运行有不确定性：每次调用这些函数时花费的时间可能都不相同
⚫ 内存碎片化
⚫ 使用不同的编译器时，需要进行复杂的配置
⚫ 有时候难以调试
三. FreeRTOS 的 5 中内存管理方法
选择哪种堆管理方案取决于具体的应用需求和目标平台的特性。FreeRTOS中内存管理的接口函数为： pvPortMalloc 、 vPortFree，对应于C库的malloc、free。
1.Heap_1
它只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree。
如果你的程序不需要删除内核对象，那么可以使用heap_1：
实现最简单没有碎片问题 一些要求非常严格的系统里，不允许使用动态内存，就可以使用 heap_1
FreeRTOS在创建任务时，需要2个内核对象： task control block(TCB)、 stack。使用heap_1时，内存分配过程如下图所示：
⚫ A：创建任务之前整个数组都是空闲的
⚫ B：创建第 1 个任务之后，蓝色区域被分配出去了
⚫ C：创建 3 个任务之后的数组使用情况
2.Heap_2
Heap_2之所以还保留，只是为了兼容以前的代码。新设计中不再推荐使用Heap_2。 建议：使用Heap_4来替代Heap_2，更加高效。
Heap_2也是在数组上分配内存，跟Heap_1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
注意：Heap_2不会合并相邻的空闲内存，所以Heap_2会导致严重的"碎片化"问题。如果申请、分配内存时大小总是相同的，这类场景下Heap_2没有碎片化的问题。 适用场景：频繁地创建、删除任务，但是任务的栈大小都是相同的(创建任务时，需要分配TCB和栈， TCB总是一样的)。
使用heap_2时，内存分配过程如下图所示：
⚫ A：创建了 3 个任务
⚫ B：删除了一个任务，空闲内存有 3 部分：顶层的、被删除任务的 TCB 空
间、被删除任务的 Stack 空间
⚫ C：创建了一个新任务，因为 TCB、栈大小跟前面被删除任务的 TCB、栈大
小一致，所以刚好分配到原来的内存
3.Heap_3
Heap_3 使用标准 C 库里的 malloc、 free 函数，所以堆大小由链接器的配置决定，配置
项 configTOTAL_HEAP_SIZE 不再起作用。
C库里的malloc、 free函数并非线程安全的， Heap_3中先暂停FreeRTOS的调度器，再去
调用这些函数，使用这种方法实现了线程安全。
4.Heap_4
跟 Heap_1、 Heap_2 一样， Heap_4 也是使用大数组来分配内存。
Heap_4使用首次适应算法(first fit)来分配内存。它还会把相邻的空闲内存合并为一个更
大的空闲内存，这有助于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 Heap_4会把相邻空闲内存合并为一个大的空闲内存，可以较少内存的碎片化问题。适用
场景：频繁地分配、释放不同大小的内存。
Heap_4的使用过程举例如下：
⚫ A：创建了 3 个任务
⚫ B：删除了一个任务，空闲内存有 2 部分：
(1) 顶层的
(2) 被删除任务的 TCB 空间、被删除任务的 Stack 空间合并起来的
⚫ C：分配了一个 Queue，从第 1 个空闲块中分配空间
⚫ D：分配了一个 User 数据，从 Queue 之后的空闲块中分配
⚫ E：释放的 Queue， User 前后都有一块空闲内存
⚫ F：释放了 User 数据， User 前后的内存、 User 本身占据的内存， 合并为一个
大的空闲内存
5.Heap_5
Heap_5 分配内存、释放内存的算法跟 Heap_4 是一样的。
相比于Heap_4， Heap_5并不局限于管理一个大数组：它可以管理多块、分隔开的内存。
在嵌入式系统中，内存的地址可能并不连续，这种场景下可以使用Heap_5。
既然内存时分隔开的，那么就需要进行初始化：确定这些内存块在哪、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
怎么指定一块内存？使用如下结构体：
typedef struct HeapRegion
{
uint8_t * pucStartAddress; // 起始地址
size_t xSizeInBytes; // 大小
} HeapRegion_t;
怎么指定多块内存？使用一个HeapRegion_t数组，在这个数组中，低地址在前、高地址在后。
比如：
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函数原型如下：
void vPortDefineHeapRegions( const HeapRegion_t * const pxHeapRegions );
把 xHeapRegions 数组传给 vPortDefineHeapRegions 函数，即可初始化 Heap_5。