FreeRTOS 堆内存管理

        每次创建任务，队列，互斥锁，软件定时器，信号量或事件组时，RTOS内核都需要RAM， RAM可以从RTOS堆自动动态分配（或者指定静态分配）。当RTOS内核需要RAM时，可以调用堆分配释放标准函数 pvPortMalloc() 及 vPortFree()进行分配和释放。

• malloc() 和 free() 函数也可以动态创建对象，但它们并非是线程安全的，且不是确定性的（执行时间因调用而异），另外也占用了宝贵的代码空间，且在嵌入式系统上并不总是可用的（很多嵌入式工程可能使用newlib-nano做libc 或no-libc，甚至malloc 未实现）。
  • 非线程安全：多个任务同时执行malloc和free时，可能会同时修改heap链表，所以malloc 和 free并非线程安全，可能会导致内存重叠，崩溃，hardFault;
  • 不确定性：malloc 要实现通常要先遍历free block list， 遍历时，若能很快找到合适的block，执行时间就会很快，否则，时间就会很长，最差情况可能要扫描整个heap，因而malloc 的执行时间是不确定性的，这对于实时系统是不可接受的；
    • 实时系统必须要保证内存块的分配过程在可预测的确定时间内完成，否则实时任务对外部事件的响应也将变得不可确定。
  • 代码空间：嵌入式系统资源非常有限，但标准malloc实现很复杂，需要支持best fit, block split, block merge, free list, fragmentation等功能，代码可能占用2KB~10KB，而FreeRTOS heap 却很小，所以尽量不要使用malloc和free， 而使用占用空间较小的堆分配释放；

        FreeRTOS 将内存分配 API 保留在其可移植层，可移植层在实现核心 RTOS 功能的源文件之外， 在可移植层选择适用于该系统的堆实现（合适的内存管理算法）

• 可移植层实现的原因：不同系统对动态内存的需求完全不同（RAM大小，实时要求），若FreeRTOS内核只提供一种malloc 算法，无法满足所有系统，因而，FreeRTOS提供统一调用接口，但具体实现不固定（可移植层中自由选择分配释放算法：heap_1, heap_2等）。
  • 这样kernel driver可以适用于不同的平台，更改平台时，只需要在可移植层选择适配该平台的内存管理算法；
• FreeRTOS包含5个内存分配实现示例（Source/Portable/MemMang 目录下）：
  • heap_1: 最简单，不允许释放内存（不太用）
    • 该方案适用于：应用程序从未删除任务，队列等任何对象；
    • 该方案时钟具有确定性，不会导致内存碎片化；
  • heap_2：允许释放内存，但不会合并相邻的空闲块（不太用，heap_4实现是该方案的首选）
  • heap_3：简单包装了标准 malloc() 和 free()，以保证线程安全
    • 该包装器只是使malloc 和 free 函数线程安全，但依然不具有确定性，且可能会大大增加RTOS 内核代码大小；
  • heap_4：合并相邻的空闲块以避免碎片化。包含绝对地址放置选项
    • 使用第一适应算法，且将相邻的空闲内存块合并成单个大内存块，因而与heap_2相比，导致空间严重碎片化的可能性小得多，但该方案依然具有不确定性（但比malloc实现更有效）
    • 与 heap_5先比，实现简单稳定，性能较好，但只能使用单一连续内存区域；
  • heap_5：如同 heap_4，能够跨越多个不相邻内存区域的堆
    • 允许使用多个不连续的内存区域组成一个逻辑heap，与heap_4相比，RAM利用率更高，支持非连续内存，但初始化复杂，代码复杂度增大，因而只有当RAM不连续，才会使用heap_5, 若RAM连续，系统简单，更推荐heap_4;

堆栈使用和堆栈溢出检查

        每个任务都拥有其独立维护的堆栈。堆栈溢出是应用程序不稳定的一个很常见的原因，因此FreeRTOS提供两个可选机制，用于协助检测并纠正出现的堆栈溢出问题（使用 cconfigCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW  来配置）。堆栈溢出检查会增加上下文切换的开销，因此建议只在开发或测试阶段使用此检查。

• configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设置为0： 完全不做栈溢出检查；
• configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设置为非0时，应用程序必须提供堆栈溢出钩子函数，并具备以下原型

/* xTask 和 pcTaskName 参数分别将违规任务的句柄和名称传递给该钩子函数 */
void vApplicationStackOverflowHook( TaskHandle_t xTask,
                                    char *pcTaskName );

• configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设置为1: 在task切换时，检查栈指针是否越界（SP是否仍处于有效堆栈空间内），该方式开销小，实现简单，但只能检测严重溢出，若是轻微溢出（未破坏SP（stack pointer）则检测不到）
• configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设置为2：task初始化时，在stack边界填充特定值（如0xA5）, 当任务切换时会检测stack边界 是否为特定字符，该方式能检测渐进式溢出，更为可靠，但需要额外的内存访问及性能开销；
• configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 设置为3: 该方法仅适用于选定的端口，该方法将启用ISR堆栈检查，检测到ISR堆栈溢出时，会触发断言，但请注意这种情况下不会调用堆栈溢出钩子函数。

参考

内存管理

FreeRTOS 堆内存管理