芯耀
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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：動態(tài)內(nèi)存堆管理和靜態(tài)內(nèi)存池管理。
關(guān)于 RT-Thread 內(nèi)存管理相關(guān)的內(nèi)容，官方提供了比較豐富的文檔作為參考，具體可以查看以下鏈接：
https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/memory/memory/
本文嘗試從以下幾個方面總結(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，代碼和變量會占用一部分固定的內(nèi)存開銷，操作系統(tǒng)在初始化的時候，會去除掉這部分已經(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。
由于在實時操作系統(tǒng)里面對時間的要求十分嚴(yán)格，為了保證內(nèi)存分配的時候不影響系統(tǒng)的實時性，就需要確保分配內(nèi)存的時間是確定并可控的；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，嵌入式設(shè)備的內(nèi)存資源相對有限，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：動態(tài)內(nèi)存堆管理和靜態(tài)內(nèi)存池管理。
動態(tài)內(nèi)存堆管理
內(nèi)存堆管理分配主要用于系統(tǒng)動態(tài)分配內(nèi)存的場合，比如，我們使用動態(tài)方式創(chuàng)建某些內(nèi)核對象（如消息隊列，郵箱，信號量，等等）的時候，所使用到的內(nèi)存空間就是動態(tài)內(nèi)存堆。動態(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，只是算法的實現(xiàn)原理不同。
關(guān)于動態(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
在使用動態(tài)內(nèi)存堆管理系統(tǒng)內(nèi)存的時候，這種方式非常靈活和方便，想用內(nèi)存的時候就向系統(tǒng)申請分配，不用的時候就釋放還給系統(tǒng)，但這種方式也存在一定的弊端。
主要是向系統(tǒng)申請內(nèi)存的時候，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)先劃分為多個固定大小的內(nèi)存塊，當(dāng)用戶需要申請內(nèi)存的時候，就從這些固定大小的內(nèi)存塊里面申請。
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，線程就會掛起等待，直到能申請到可用的內(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，主要是為了驗證動態(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)存堆管理示例會創(chuàng)建一個動態(tài)的線程，這個線程會動態(tài)申請內(nèi)存并釋放，每次申請更大的內(nèi)存，當(dāng)申請不到的時候就結(jié)束。例程中分配內(nèi)存成功并打印信息；當(dāng)試圖申請 65536 byte 即 64KB 內(nèi)存時，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)存池管理示例會創(chuàng)建一個靜態(tài)的內(nèi)存池對象，2 個動態(tài)線程。一個線程會試圖從內(nèi)存池中獲得內(nèi)存塊，另一個線程釋放內(nèi)存塊內(nèi)存塊。總共初始化了 4096 /(80+4) = 48 個內(nèi)存塊。
1、線程 1 申請了 48 個內(nèi)存塊之后，此時內(nèi)存塊已經(jīng)被用完，需要其他地方釋放才能再次申請；但此時，線程 1 以一直等待的方式又申請了 1 個，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 釋放一個內(nèi)存塊的時候，就有一個內(nèi)存塊空閑出來，喚醒線程 1 申請內(nèi)存，申請成功后再申請，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)板即可驗證實驗現(xiàn)象，如下圖所示。
內(nèi)存管理相關(guān)注意事項
在使用 RT-Thread 內(nèi)存管理相關(guān)接口的時候，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，有以下注意事項：
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，否則會引起當(dāng)前線程被掛起。
2、在使用內(nèi)存堆管理的時候，產(chǎn)生的內(nèi)存碎片會在系統(tǒng)空閑線程運(yùn)行的時候進(jìn)行回收。
3、用戶應(yīng)用程序在申請內(nèi)存分配的時候，建議判斷是否申請成功，并對申請成功的內(nèi)存空間進(jìn)行初始化后再使用。
4、動態(tài)內(nèi)存堆管理是一種“用時間換空間”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，但會損失一點效率。
5、靜態(tài)內(nèi)存池管理是一種“用空間換時間”的內(nèi)存管理方式，這種方式相對來說比較高效，但會造成一定的空間浪費(fèi)。
6、對于以 KB 為單位的單片機(jī)片內(nèi) RAM 內(nèi)存，一般采用動態(tài)內(nèi)存堆里面的小內(nèi)存管理算法即可。
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