在單片機(jī)芯片上，如果不考慮出廠固化的ROM空間的話，通常開發(fā)者能接觸到的存儲(chǔ)空間主要分兩種：掉電可保存數(shù)據(jù)的片內(nèi)FLASH和掉電不可保存數(shù)據(jù)的片內(nèi)RAM。

片內(nèi)RAM（通常理解為內(nèi)存）的訪問速度比較快，可以按照變量地址隨機(jī)訪問，但斷電后數(shù)據(jù)丟失。片內(nèi)FLASH（通常理解為硬盤）所保存的內(nèi)容比較固定，主要用來保存程序本身的數(shù)據(jù)內(nèi)容，保存的內(nèi)容斷電不丟失。

對(duì)于單片機(jī)的片內(nèi)RAM內(nèi)存，主要有堆和棧之分，本章的內(nèi)存管理，主要是基于堆內(nèi)存管理進(jìn)行開展的，在RT-Thread中，有兩種堆內(nèi)存管理方式：動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理和靜態(tài)內(nèi)存池管理。

本文嘗試從以下幾個(gè)方面總結(jié)一下RT-Thread內(nèi)存管理的學(xué)習(xí)過程

內(nèi)存管理相關(guān)介紹

在運(yùn)行操作系統(tǒng)的單片機(jī)上面，代碼和變量會(huì)占用一部分固定的內(nèi)存開銷，操作系統(tǒng)在初始化的時(shí)候，會(huì)去除掉這部分已經(jīng)占用的內(nèi)存，把剩下的閑置內(nèi)存納入到系統(tǒng)堆里面進(jìn)行統(tǒng)一管理，不管是動(dòng)態(tài)堆內(nèi)存，還是靜態(tài)內(nèi)存池，都是使用這部分閑置空間的。

由于在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里面對(duì)時(shí)間的要求十分嚴(yán)格，為了保證內(nèi)存分配的時(shí)候不影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，就需要確保分配內(nèi)存的時(shí)間是確定并可控的；并且在內(nèi)存分配達(dá)到一定次數(shù)后，就不可避免地產(chǎn)生內(nèi)存碎片；與此同時(shí)，嵌入式設(shè)備的內(nèi)存資源相對(duì)有限，有些系統(tǒng)只有幾十KB內(nèi)存，而有些系統(tǒng)則有幾十MB。

所以，為了解決以上內(nèi)存分配可能出現(xiàn)的問題，需要使用一些內(nèi)存管理算法來進(jìn)行這些內(nèi)存分配管理，RT-Thread提供了兩種內(nèi)存管理方式，分別是：動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理和靜態(tài)內(nèi)存池管理。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理

內(nèi)存堆管理分配主要用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的場(chǎng)合，比如，我們使用動(dòng)態(tài)方式創(chuàng)建某些內(nèi)核對(duì)象（如消息隊(duì)列，郵箱，信號(hào)量，等等）的時(shí)候，所使用到的內(nèi)存空間就是動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆。動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆的意思是，要用多少，系統(tǒng)就分配多少給你，不用的時(shí)候，就要進(jìn)行釋放，還給系統(tǒng)再進(jìn)行統(tǒng)一管理。

關(guān)于動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆的管理，主要有三種算法：小內(nèi)存分配算法，slab算法，memheap算法。關(guān)于這三種管理算法的實(shí)現(xiàn)原理介紹，RT-Thread官方已經(jīng)給出了比較詳細(xì)的解釋，這里不再重復(fù)論述。

需要注意的是，這三種內(nèi)存管理算法，我們只能通過menuconfig來配置系統(tǒng)內(nèi)核，選擇其中一種內(nèi)存管理方法，對(duì)于用戶的應(yīng)用程序接口而言，這三種算法是透明的，也就是說提供給用戶的內(nèi)存管理接口是相同的，只是算法的實(shí)現(xiàn)原理不同。

關(guān)于動(dòng)態(tài)堆內(nèi)存管理，操作系統(tǒng)提供了以下API接口函數(shù)，如下圖所示。

靜態(tài)內(nèi)存池管理

在使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理系統(tǒng)內(nèi)存的時(shí)候，這種方式非常靈活和方便，想用內(nèi)存的時(shí)候就向系統(tǒng)申請(qǐng)分配，不用的時(shí)候就釋放還給系統(tǒng)，但這種方式也存在一定的弊端。

主要是向系統(tǒng)申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，都要遍歷一次空閑內(nèi)存的鏈表，查找可用的內(nèi)存塊，然后再分配給用戶，而且這種方式不可避免地會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，所以這種內(nèi)存管理方式的效率不是很高。這是一種“用時(shí)間換空間”的內(nèi)存管理方式。

為了提高內(nèi)存的分配效率，RT-Thread提供了靜態(tài)內(nèi)存池管理的方式。靜態(tài)內(nèi)存池就是系統(tǒng)把自身管理的內(nèi)存預(yù)先劃分為多個(gè)固定大小的內(nèi)存塊，當(dāng)用戶需要申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，就從這些固定大小的內(nèi)存塊里面申請(qǐng)。

靜態(tài)內(nèi)存池管理的方式，還支持線程掛起操作，當(dāng)系統(tǒng)沒有內(nèi)存塊可用時(shí)，線程就會(huì)掛起等待，直到能申請(qǐng)到可用的內(nèi)存塊，這種特性可以用做線程間同步。

關(guān)于靜態(tài)內(nèi)存池的工作機(jī)制，如下圖所示。

RT-Thread提供了以下API函數(shù)接口，用于靜態(tài)內(nèi)存池管理。

內(nèi)存堆和內(nèi)存池的應(yīng)用示例

內(nèi)存管理相關(guān)的應(yīng)用示例，主要是為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理和靜態(tài)內(nèi)存池管理相關(guān)的API函數(shù)接口，這里包含兩個(gè)示例，分別是內(nèi)存堆管理示例和內(nèi)存池管理示例。

示例源碼下載鏈接：

https://github.com/embediot/rtthread_study_notes

https://gitee.com/embediot/rtthread_study_notes

內(nèi)存堆管理示例會(huì)創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的線程，這個(gè)線程會(huì)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存并釋放，每次申請(qǐng)更大的內(nèi)存，當(dāng)申請(qǐng)不到的時(shí)候就結(jié)束。例程中分配內(nèi)存成功并打印信息；當(dāng)試圖申請(qǐng) 65536 byte 即 64KB 內(nèi)存時(shí)，由于開發(fā)板的單片機(jī) RAM 總大小只有 64K，而可用 RAM 小于 64K，所以分配失敗。

內(nèi)存池管理示例會(huì)創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)的內(nèi)存池對(duì)象，2 個(gè)動(dòng)態(tài)線程。一個(gè)線程會(huì)試圖從內(nèi)存池中獲得內(nèi)存塊，另一個(gè)線程釋放內(nèi)存塊內(nèi)存塊。總共初始化了 4096 /(80+4) = 48 個(gè)內(nèi)存塊。

1、線程 1 申請(qǐng)了 48 個(gè)內(nèi)存塊之后，此時(shí)內(nèi)存塊已經(jīng)被用完，需要其他地方釋放才能再次申請(qǐng)；但此時(shí)，線程 1 以一直等待的方式又申請(qǐng)了 1 個(gè)，由于無法分配，所以線程 1 掛起；

2、線程 2 開始執(zhí)行釋放內(nèi)存的操作；當(dāng)線程 2 釋放一個(gè)內(nèi)存塊的時(shí)候，就有一個(gè)內(nèi)存塊空閑出來，喚醒線程 1 申請(qǐng)內(nèi)存，申請(qǐng)成功后再申請(qǐng)，線程 1 又掛起，再循環(huán)一次步驟2；

3、線程 2 繼續(xù)釋放剩余的內(nèi)存塊，釋放完畢。

在memory_test.h頭文件里面，通過打開相應(yīng)的宏定義開關(guān)，重新編譯工程源碼，下載到開發(fā)板即可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如下圖所示。

內(nèi)存管理相關(guān)注意事項(xiàng)

在使用RT-Thread內(nèi)存管理相關(guān)接口的時(shí)候，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，有以下注意事項(xiàng)：

1、由于系統(tǒng)為了保證內(nèi)存在多線程的狀態(tài)下能安全分配，引入了互斥操作，因此不能在中斷服務(wù)程序里面分配或釋放內(nèi)存塊，否則會(huì)引起當(dāng)前線程被掛起。

2、在使用內(nèi)存堆管理的時(shí)候，產(chǎn)生的內(nèi)存碎片會(huì)在系統(tǒng)空閑線程運(yùn)行的時(shí)候進(jìn)行回收。

3、用戶應(yīng)用程序在申請(qǐng)內(nèi)存分配的時(shí)候，建議判斷是否申請(qǐng)成功，并對(duì)申請(qǐng)成功的內(nèi)存空間進(jìn)行初始化后再使用。

4、動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理是一種“用時(shí)間換空間”的內(nèi)存管理方式，這種方式可以節(jié)省一定的內(nèi)存空間，但會(huì)損失一點(diǎn)效率。

5、靜態(tài)內(nèi)存池管理是一種“用空間換時(shí)間”的內(nèi)存管理方式，這種方式相對(duì)來說比較高效，但會(huì)造成一定的空間浪費(fèi)。

6、對(duì)于以KB為單位的單片機(jī)片內(nèi)RAM內(nèi)存，一般采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆里面的小內(nèi)存管理算法即可。

原文標(biāo)題：【RT-Thread學(xué)習(xí)筆記】RT-Thread內(nèi)存管理學(xué)習(xí)總結(jié)

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