基于FreeRTOS的STM32F103系统—Heap_4内存管理机制介绍
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Heap_4内存管理机制详解
首先介绍一下用到的重要的结构体-标记内存块，在每个存放数据的内存块前都会有一个这样的标记结构体。
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;
里面有两个变量，pxNextFreeBlock指向下一个内存块，xBlockSize用来表示它所标记的内存块大小。
还有一些全局变量，都写了注释很好理解，就不多解释。
//内存堆大小，并字节对齐
static const size_t xHeapStructSize = ( sizeof( BlockLink_t ) + ( ( size_t ) ( portBYTE_ALIGNMENT - 1 ) ) ) & ~( ( size_t ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK );
/* Create a couple of list links to mark the start and end of the list. */
static BlockLink_t xStart, *pxEnd = NULL; //内存堆头尾
/* Keeps track of the number of free bytes remaining, but says nothing about
fragmentation. */
static size_t xFreeBytesRemaining = 0U; //内存堆剩余大小
static size_t xMinimumEverFreeBytesRemaining = 0U; //历史剩余大小的最小值
/* Gets set to the top bit of an size_t type. When this bit in the xBlockSize
member of an BlockLink_t structure is set then the block belongs to the
application. When the bit is free the block is still part of the free heap
space. */
static size_t xBlockAllocatedBit = 0; //1这个块被申请；0这个块空闲
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内存堆初始化
首先定义一些临时变量
BlockLink_t *pxFirstFreeBlock; //整个空闲内存块之前的标记结构体
uint8_t *pucAlignedHeap; //字节对齐后的起始地址
size_t uxAddress; //相当于临时变量
size_t xTotalHeapSize = configTOTAL_HEAP_SIZE; //抛弃不可用内存块后总的大小
经过一系列的操作，使初始化后，空闲内存表的起始地址为字节对齐，这里和heap_2不同的地方是，使用了临时变量uxAddress存储中间计算出来的一些地址，这里uxAddress存储的是字节对齐后的初始地址，然后赋值给pucAlignedHeap变量中。
/* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
/*确保字节对齐后的起始地址正确*/
uxAddress = ( size_t ) ucHeap; //获得内存堆的大小放到uxAddress中
if( ( uxAddress & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0 ) //如果内存堆大小不为0且不在掩模中
{
uxAddress += ( portBYTE_ALIGNMENT - 1 ); //portBYTE_ALIGNMENT = 7
uxAddress &= ~( ( size_t ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK );
xTotalHeapSize -= uxAddress - ( size_t ) ucHeap; //抛弃不可用内存块后总的大小
}
pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) uxAddress; //字节对齐后的起始地址
这部分代码用来初始化空闲内存表的头和尾，使头的下一个内存块指向字节对齐后的首地址，大小初始化为0；这里的uxAddress变量经过一系列操作以及变成了内存块的末地址，然后使尾的首地址指向末地址(pxEnd=(void *)uxAddress），大小初始化为0，尾的下一个内存块为NULL。
/*初始化链表头和尾*/
xStart.pxNextFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap; //下一个头指向字节对齐后的起始地址
xStart.xBlockSize = ( size_t ) 0; //大小初始化为0
/* pxEnd is used to mark the end of the list of free blocks and is inserted
at the end of the heap space. */
uxAddress = ( ( size_t ) pucAlignedHeap ) + xTotalHeapSize; //这里的uxAddress已经变成了末尾的地址
uxAddress -= xHeapStructSize; //减去一个标志结构体的大小
uxAddress &= ~( ( size_t ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ); //字节对齐
pxEnd = ( void * ) uxAddress; //这里的uxAddress已经变成了内存堆尾-一个标志结构体然后字节对齐后的地址
pxEnd- >xBlockSize = 0; //末尾的内存块大小初始化为0
pxEnd- >pxNextFreeBlock = NULL; //下一个指向NULL
在申请内存的最开始，把整个内存堆都看成一个整体，作为一个大内存块，这个内存块之前也需要有一个标记结构体，也就是pxFirstFreeBlock结构体，这里对这个结构体进行初始化，它的首地址就是字节对齐后的地址，大小是尾地址uxAddess-内存块字节对齐后的首地址，下一个内存块指向pxEnd。
/*开始的时候将内存堆整个可用空间看成一个空闲内存块*/
pxFirstFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap; //空闲内存块之前的标记结构体地址
pxFirstFreeBlock- >xBlockSize = uxAddress - ( size_t ) pxFirstFreeBlock; //标记结构体记录内存块大小为末地址-初地址
pxFirstFreeBlock- >pxNextFreeBlock = pxEnd; //下一个空闲内存块为末尾内存块指针
最后这里就是更新一下全局变量，并标记一下块被占用。
/*只有一个内存块，而且这个内存块拥有内存堆的整个可用空间*/
xMinimumEverFreeBytesRemaining = pxFirstFreeBlock- >xBlockSize; //记录最小的空闲内存块大小
xFreeBytesRemaining = pxFirstFreeBlock- >xBlockSize; //记录历史最小的空闲内存块大小
/* Work out the position of the top bit in a size_t variable. */
xBlockAllocatedBit = ( ( size_t ) 1 ) < < ( ( sizeof( size_t ) * heapBITS_PER_BYTE ) - 1 ); //初始化静态变量，初始化完成以后此变量值为 0X80000000
//在 heap_4 中其最高位表示此内存块是否被使用，如果为 1 的话就表示被使用了，所以在 heap_4 中一个内存块最大只能为 0x7FFFFFFF
借用一下原子手册的图解：
3
插入空闲内存表函数
先定义两个用到的局部变量，pxIterator相当于C++中容器的迭代器，puc就是个临时变量。
BlockLink_t *pxIterator; //相当于查找合适位置的迭代器uint8_t *puc; //相当于临时变量
这里就是使用迭代器一次次循环，知道找到空闲内存表中满足内存要求（pxIterator->pxNextFreeBlock < pxBlockToInsert）的内存块地址。
//遍历空闲内存块链表，找出内存块插入点，内存块按照地址从低到高连接在一起（迭代器思想）
for( pxIterator = &xStart; pxIterator- >pxNextFreeBlock < pxBlockToInsert; pxIterator = pxIterator- >pxNextFreeBlock )
{ /* Nothing to do here, just iterate to the right position. */
}
这里是判断要插入的这块内存和前一块内存是否相邻，如果相邻就合并成一块，判断是否相邻的条件是puc + pxIterator->xBlockSize ) == ( uint8_t * ) pxBlockToInsert，插入点地址+这块内存的大小==要插入块首地址；即上一块末地址==要插入块起始地址
//插入内存块，如果要插入的内存块可以和前一个内存块合并的话就
//合并两个内存块
puc = ( uint8_t * ) pxIterator; //找到的合适的插入点的地址
if( ( puc + pxIterator- >xBlockSize ) == ( uint8_t * ) pxBlockToInsert ) //插入点地址+这块内存的大小==要插入块首地址；即上一块末地址==要插入块起始地址
{
pxIterator- >xBlockSize += pxBlockToInsert- >xBlockSize; //大小合并
pxBlockToInsert = pxIterator; //合并后内存首地址不变
} else
{ mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
再借用一下原子的图：
这一部分代码是检查要插入的内存块是否和后一块内存相邻，如果相邻就合并起来，判断条件是puc + pxBlockToInsert->xBlockSize == ( uint8_t * ) （ pxIterator->pxNextFreeBlock )，要插入块首地址+这块内存的大小==下一块首地址；即要插入块末地址==下一块起始地址
//检查是否可以和后面的内存块合并，可以的话就合并
puc = ( uint8_t * ) pxBlockToInsert; //要插入的内存块的首地址
if( ( puc + pxBlockToInsert- >xBlockSize ) == ( uint8_t * ) pxIterator- >pxNextFreeBlock ) 要插入块首地址+这块内存的大小==下一块首地址；即要插入块末地址==下一块起始地址
{ if( pxIterator- >pxNextFreeBlock != pxEnd ) //下一块不是表尾
{ /* Form one big block from the two blocks. */
//将两个内存块组合成一个大的内存块时
pxBlockToInsert- >xBlockSize += pxIterator- >pxNextFreeBlock- >xBlockSize; 内存块大小合并
pxBlockToInsert- >pxNextFreeBlock = pxIterator- >pxNextFreeBlock- >pxNextFreeBlock;//合并起来之后下下快变成了下一块
} else
{
pxBlockToInsert- >pxNextFreeBlock = pxEnd; //要插入的变成表尾
}
} else
{
pxBlockToInsert- >pxNextFreeBlock = pxIterator- >pxNextFreeBlock;
}
最后借用一下原子的图：
如果和前后都不相邻，则使用最简单的插入方法：
//在内存块插入的过程中没有进行过一次内存合并，使用最简单的插入方法
if( pxIterator != pxBlockToInsert )
{
pxIterator- >pxNextFreeBlock = pxBlockToInsert;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
4
内存申请函数
先初始化一下内存堆：
//第一次调用，初始化内存堆
if( pxEnd == NULL )
{
prvHeapInit();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
判断一下想要插入数据的内存块是否被使用，就是和xBlockAllocateBit变量做一次与运算，如果结果不是1，则说明没被使用；在确保要插入的大小大于0之后，需要附加上标记结构体的大小（8字节）后，再进行字节对齐。
//需要申请的内存块大小的最高位不能为 1，因为最高位用来表示内存块有没有被使用
if( ( xWantedSize & xBlockAllocatedBit ) == 0 )
{
/* 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 += xHeapStructSize; //要申请的大小加上标记结构体的大小
/* Ensure that blocks are always aligned to the required number
of bytes. */
if( ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0x00 )
{
/* Byte alignment required. */
/*要插入的内存块字节对齐*/
xWantedSize += ( portBYTE_ALIGNMENT - ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );
configASSERT( ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) == 0 );
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();