FreeRTOS代碼剖析之1：內(nèi)存管理Heap

內(nèi)存管理是一個(gè)操作系統(tǒng)的重要組成部分之一，所有應(yīng)用程序都離不開(kāi)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理。因此，在剖析FreeRTOS的內(nèi)核代碼之前，前對(duì)FreeRTOS的內(nèi)存管理進(jìn)行研究。

現(xiàn)在以FreeRTOS8.0.1進(jìn)行剖析研究。參考資料為《Using the FreeRTOS Real Time Kernel-A Practical Guide opened》。

Heap_1.c的注釋說(shuō)明，Heap_1.c只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了pvPortMalloc()這一個(gè)函數(shù)，這個(gè)堆的實(shí)現(xiàn)方案并不允許已分配的內(nèi)存再次被釋放。（The simplest possible implementation of pvPortMalloc(). Note that this implementation does NOT allow allocated memory to be freed again.）
/* Allocate the memory for the heap. */
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
static size_t xNextFreeByte = ( size_t ) 0;

首先看到的是兩個(gè)全局變量。第一個(gè)是ucHeap，第二個(gè)是xNextFreeByte。根據(jù)名字的意思可以看出，ucHeap就是FreeRTOS可以用的整個(gè)堆的空間數(shù)組，其大小是在FreeRTOSConfig.h中定義的常量configTOTAL_HEAP_SIZE，默認(rèn)是17*1024，即17KB；而xNextFreeByte，則是指向下一個(gè)還沒(méi)被用上的內(nèi)存堆所在的數(shù)組下標(biāo)，由于一開(kāi)始整個(gè)堆都沒(méi)被用上，所以它的默認(rèn)值為0。

接下來(lái)要分析的是void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize )這一個(gè)函數(shù)。這個(gè)函數(shù)是Heap_1.c的重點(diǎn)。它的工作流程如下：
第一步：對(duì)齊處理；第二步：分配內(nèi)存；第三步：勾子函數(shù)調(diào)用。
第一步的代碼如下：
/* Ensure that blocks are always aligned to the required number of bytes. */
#if portBYTE_ALIGNMENT != 1
if( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK )
{
/* Byte alignment required. */
xWantedSize += ( portBYTE_ALIGNMENT - ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );
}
#endif

在說(shuō)這一部分的時(shí)候，要先看看portmacro.h中的一個(gè)常量portBYTE_ALIGNMENT，這個(gè)常量指示字節(jié)對(duì)齊數(shù)，其默認(rèn)值為8，即默認(rèn)以8個(gè)字節(jié)進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊。第二個(gè)要看的是portable.h中的一個(gè)常量portBYTE_ALIGNMENT_MASK，這個(gè)常量是根據(jù)portBYTE_ALIGNMENT的值進(jìn)行定義的，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

portBYTE_ALIGNMENT

備注：在移植的時(shí)候，可以根據(jù)硬件平臺(tái)的對(duì)齊方式修改portBYTE_ALIGNMENT，這樣可以避免內(nèi)存空間的浪費(fèi)。

第一步的工作主要是將用戶所需要的內(nèi)存空間大小進(jìn)行對(duì)齊。如果是以1個(gè)字節(jié)對(duì)齊，則這一步可以跳過(guò)（條件編譯）。條件編譯內(nèi)部，if( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK )主要是用來(lái)判斷用戶所需要的內(nèi)存大小是否已對(duì)齊，例如，在默認(rèn)情況下（以8個(gè)字節(jié)對(duì)齊），如果用戶申請(qǐng)的內(nèi)存大小為13個(gè)字節(jié)，經(jīng)過(guò)和字節(jié)對(duì)齊掩碼進(jìn)行與操作后的結(jié)果為0x0005，即沒(méi)有對(duì)齊；如果用戶申請(qǐng)的內(nèi)存大小為16個(gè)字節(jié)，經(jīng)過(guò)和字節(jié)對(duì)齊掩碼進(jìn)行與操作后的結(jié)果為0x0000，即已經(jīng)對(duì)齊。

字節(jié)對(duì)齊的方法在if語(yǔ)塊里?？梢园l(fā)現(xiàn)用戶申請(qǐng)內(nèi)存大小和字節(jié)對(duì)齊掩碼進(jìn)行與操作后，其結(jié)果和需要補(bǔ)齊的字節(jié)數(shù)相加，剛好等于字節(jié)對(duì)齊掩碼的值，因此只要用掩碼值減去與操作的結(jié)果，就可以得到需要補(bǔ)齊的字節(jié)數(shù)，這樣只要把補(bǔ)齊的字節(jié)數(shù)加到用戶申請(qǐng)的內(nèi)存大小就可以使其字節(jié)對(duì)齊。

第二步就是真正在堆中分配內(nèi)存了。在分配內(nèi)存一開(kāi)始的時(shí)候，系統(tǒng)首先調(diào)用vTaskSuspendAll()將所有的任務(wù)都掛起，以防止上下文切換。這個(gè)函數(shù)在這里只是為了確保內(nèi)存分配過(guò)程不被其它中斷打斷，具體的實(shí)現(xiàn)流程以后再慢慢分析，這里就不詳細(xì)展開(kāi)了。緊接著，系統(tǒng)要對(duì)這個(gè)堆進(jìn)行對(duì)齊工作。這里的對(duì)齊和上面說(shuō)的對(duì)齊不是一回事。這里說(shuō)的對(duì)齊是因?yàn)镕reeRTOS管理的堆是一個(gè)全局?jǐn)?shù)組，并不能保證數(shù)組首地址按portBYTE_ALIGNMENT對(duì)齊。因此FreeRTOS對(duì)堆首地址做了這個(gè)對(duì)齊處理。要留意的是，這個(gè)對(duì)齊處理只做了一次。原因是對(duì)齊后的堆首地址是一個(gè)靜態(tài)變量，初始值賦為NULL。而當(dāng)這個(gè)變量為NULL時(shí)才進(jìn)行對(duì)齊處理，對(duì)齊處理后這個(gè)變量就指向堆首地址，這樣在下一次調(diào)用pvPortMalloc()時(shí)就不會(huì)再進(jìn)行對(duì)齊處理了。對(duì)齊處理的代碼如下。
if( pucAlignedHeap == NULL )
{
/* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) &ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) & ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) ~portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );
}