RT-Thread內(nèi)核的我們已經(jīng)基本都學(xué)習(xí)過(guò)了，除了基本的線程操作和通信，
內(nèi)核部分還有內(nèi)存管理和中斷處理，本文主要就來(lái)說(shuō)說(shuō)內(nèi)存管理相關(guān)問(wèn)題。

目錄

前言
一、為什么要內(nèi)存管理
二、RT-Thread 內(nèi)存堆管理
2.1 RT-Thread 內(nèi)存分配
2.2 RT-Thread內(nèi)存堆管理方式
2.2.1 內(nèi)存堆管理的3種方式
2.2.2 管理方式的程序配置
2.3 內(nèi)存堆 API 函數(shù)
三、RT-Thread 內(nèi)存池
3.1 內(nèi)存池的位置
3.2 內(nèi)存池程序配置和控制塊
3.3 內(nèi)存池操作 API 函數(shù)
結(jié)語(yǔ)

前言

記得最初學(xué)習(xí) RT-Thread ，對(duì)于內(nèi)存管理我也是簡(jiǎn)單看看然后一筆帶過(guò)，當(dāng)時(shí)覺得用不上，在我做的一些傳感器單品項(xiàng)目上，對(duì)于內(nèi)存管理確實(shí)知道與不知道沒什么關(guān)系，但是隨著認(rèn)知的增長(zhǎng)，項(xiàng)目復(fù)雜程度增加，發(fā)現(xiàn)內(nèi)存管理還不可或缺，于是今時(shí)今日正好再次來(lái)更新 RT-Thread記錄，有必要好好的說(shuō)一說(shuō)。

RT-Thread 有2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。

先不管這兩種方式是怎么實(shí)現(xiàn)的，首先要明白一個(gè)問(wèn)題，為什么要內(nèi)存管理？

本 RT-Thread 專欄記錄的開發(fā)環(huán)境：
RT-Thread記錄（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio開發(fā)環(huán)境 及 配合CubeMX開發(fā)快速上手）
RT-Thread記錄（二、RT-Thread內(nèi)核啟動(dòng)流程 — 啟動(dòng)文件和源碼分析）
RT-Thread 內(nèi)核篇系列博文鏈接：
RT-Thread記錄（三、RT-Thread 線程操作函數(shù)及線程管理與FreeRTOS的比較）
RT-Thread記錄（四、RT-Thread 時(shí)鐘節(jié)拍和軟件定時(shí)器）
RT-Thread記錄（五、RT-Thread 臨界區(qū)保護(hù)）
RT-Thread記錄（六、IPC機(jī)制之信號(hào)量、互斥量和事件集）
RT-Thread記錄（七、IPC機(jī)制之郵箱、消息隊(duì)列）

一、為什么要內(nèi)存管理

什么是內(nèi)存管理？為什么需要內(nèi)存管理？

在我們的程序設(shè)計(jì)中，一些數(shù)據(jù)需要的內(nèi)存大小需要在程序運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況確定，在用戶需要一段內(nèi)存空間時(shí)，向系統(tǒng)申請(qǐng)，系統(tǒng)選擇一段合適的內(nèi)存空間分配給用戶，用戶使用完畢后，再釋放回系統(tǒng)，以便系統(tǒng)將該段內(nèi)存空間回收再利用。

這樣子不斷的申請(qǐng)釋放，如果沒有內(nèi)存管理，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存碎片，對(duì)程序產(chǎn)生極大的影響。

具體的原因我在下面博文有詳細(xì)說(shuō)明：淺談 malloc 函數(shù)在單片機(jī)上的應(yīng)用

如果看完上面的博文，就應(yīng)該知道了內(nèi)存管理的重要性。

我們確實(shí)直接在函數(shù)或者線程里面創(chuàng)建臨時(shí)變量使用 線程棧 或 者系統(tǒng)棧處理臨時(shí)變量，但是正如上面博文里面所說(shuō)的，作為一個(gè)通用的操作系統(tǒng)，都會(huì)且必須得有自己的合理的內(nèi)存管理方式。
這個(gè)在我們現(xiàn)在說(shuō)明的 RT-Thread 操作系統(tǒng)上是內(nèi)核已經(jīng)實(shí)現(xiàn)好的，我們得了解它。

知道了為什么，那么接下來(lái)我們就來(lái)了解一下 RT-Thread 的這2種內(nèi)存管理方式。

二、RT-Thread 內(nèi)存堆管理

現(xiàn)在看看內(nèi)存堆管理， 所謂堆，看過(guò)我博文的朋友應(yīng)該已經(jīng)很熟悉了，對(duì)于裸機(jī)中的堆的位置，大小設(shè)定都應(yīng)該會(huì)有一個(gè)詳細(xì)的認(rèn)知，如果還不知道堆，可以查看下面這篇博文一步到位的理解：

STM32的內(nèi)存管理相關(guān)（內(nèi)存架構(gòu)，內(nèi)存管理，map文件分析）

上文雖然是以STM32為例子說(shuō)明，但是對(duì)于 C/C++ 程序編譯后的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)段 在不同芯片上的順序基本都是一樣的，于是乎在我的又一篇博文中

嵌入式RTOS的 任務(wù)棧 和 系統(tǒng)棧

就得到了一張內(nèi)存分配的示意圖：

2.1 RT-Thread 內(nèi)存分配

要理解 RT-Thread 內(nèi)存堆管理，首先得知道它管理的是哪一塊內(nèi)存，所以得知道 RT-Thread 內(nèi)存分配。

其實(shí)細(xì)心的朋友會(huì)發(fā)現(xiàn)，我在前面文章《RT-Thread記錄（二、RT-Thread內(nèi)核啟動(dòng)流程 — 啟動(dòng)文件和源碼分析）》

中提到過(guò) RT-Thread 內(nèi)存分配情況，在其中的 2.2.2 RT-Thread 堆和棧空間說(shuō)明（與FreeRTOS不同）有過(guò)說(shuō)明：

通過(guò)上面的分析，我們可以得到 RT-Thread 下的內(nèi)存分配的示意圖：

通過(guò)上面我們自己的分析，再結(jié)合官方說(shuō)明文檔的說(shuō)明，我們應(yīng)該能完全明白了什么是 RT-Thread 的內(nèi)存堆：

至此，我們可以確實(shí)的明白，RT-Thread 內(nèi)存管理管理的是哪一部分的內(nèi)存了。

2.2 RT-Thread內(nèi)存堆管理方式

那么RT-Thread 對(duì)于內(nèi)存堆，是如何管理的呢？

說(shuō)明：對(duì)于這部分，我個(gè)人記錄是以知道為主，畢竟我們專欄以應(yīng)用為主，我們了解會(huì)用即可，如果以后確實(shí)自己會(huì)需要自己寫內(nèi)存管理，肯定會(huì)單獨(dú)更新一篇博文。
我們先前的基礎(chǔ)介紹直接使用官網(wǎng)說(shuō)明，本節(jié)后部分會(huì)說(shuō)明下程序中是怎么選擇使用的。

2.2.1 內(nèi)存堆管理的3種方式

RT-Thread 內(nèi)存堆管理又根據(jù)具體內(nèi)存設(shè)備劃分為三種情況：

• 針對(duì)小內(nèi)存塊的分配管理（小內(nèi)存管理算法）
• 針對(duì)大內(nèi)存塊的分配管理（slab 管理算法）
• 針對(duì)多內(nèi)存堆的分配情況（memheap 管理算法）

這里套用官方的介紹做個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)明（如果需要深入了解可以去官網(wǎng)查看）:

2.2.2 管理方式的程序配置

我們上面 簡(jiǎn)單介紹了RT-Thread 內(nèi)存堆管理的3種方式，雖然我們沒有詳細(xì)分析內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)，那么我們也得了解在 RT-Thread 工程中，是怎么配置使用哪一種管理方式，同時(shí)了解這些方式的實(shí)現(xiàn)在程序什么文件中。

在工程的rtconfig.h中有關(guān)于內(nèi)存管理方式的配置：

上圖是使用小內(nèi)存堆管理算法。

如果是使用 slab 管理算法，需要宏定義如下：

#define RT_USING_SLAB
#define RT_USING_HEAP

如果是使用 memheap 管理算法，需要宏定義如下：

#define RT_USING_MEMHEAP_AS_HEAP

具體的實(shí)現(xiàn)文件是在工程 mem.c 文件中，如下圖：

RT-Thread 內(nèi)存管理詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方式可以自行查看該文件，這里就不過(guò)多介紹。

2.3 內(nèi)存堆 API 函數(shù)

對(duì)于 RT-Thread 內(nèi)存堆管理，是有自己的 malloc 函數(shù)，不能直接用 c 語(yǔ)言庫(kù)中原始的malloc 函數(shù)。

其 三種管理算法提供的 API 都是相同的。

初始化：

首先是初始化函數(shù)：

/*小內(nèi)存堆和slab 管理算法*/
void rt_system_heap_init(void* begin_addr, void* end_addr);

/*memheap 管理算法*/
rt_err_t rt_memheap_init(struct rt_memheap  *memheap,
                        const char  *name,
                        void        *start_addr,
                        rt_uint32_t size)

我在《RT-Thread記錄（二、RT-Thread內(nèi)核啟動(dòng)流程 — 啟動(dòng)文件和源碼分析）》板級(jí)硬件初始化 — rt_hw_board_init 小結(jié)中提到過(guò) 這個(gè)函數(shù)：

RT-Thread內(nèi)存堆初始化函數(shù)是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)候初始化的，而不是我們用戶在main函數(shù)中再初始化的。

內(nèi)存管理操作函數(shù)：

簡(jiǎn)單記錄一下:

/*
分配內(nèi)存塊
參數(shù)：
nbytes 	需要分配的內(nèi)存塊的大小，單位為字節(jié)
返回 	——
分配的內(nèi)存塊地址 	成功
RT_NULL 	失敗
*/
void *rt_malloc(rt_size_t nbytes);
/*
釋放內(nèi)存塊
參數(shù)：
ptr 	待釋放的內(nèi)存塊指針
*/
void rt_free (void *ptr);
/*
重分配內(nèi)存塊
參數(shù) 	描述
rmem 	指向已分配的內(nèi)存塊
newsize 	重新分配的內(nèi)存大小
返回 	——
重新分配的內(nèi)存塊地址 	成功
*/
void *rt_realloc(void *rmem, rt_size_t newsize);
/*
分配多內(nèi)存塊
參數(shù) 	描述
count 	內(nèi)存塊數(shù)量
size 	內(nèi)存塊容量
返回 	——
指向第一個(gè)內(nèi)存塊地址的指針 	成功 ，并且所有分配的內(nèi)存塊都被初始化成零。
RT_NULL 	分配失敗
*/
void *rt_calloc(rt_size_t count, rt_size_t size);

/*
設(shè)置內(nèi)存鉤子函數(shù)
參數(shù) 	描述
hook 	鉤子函數(shù)指針
*/
void rt_malloc_sethook(void (*hook)(void *ptr, rt_size_t size));
/*
上面函數(shù)的hook 函數(shù)接口
參數(shù) 	描述
ptr 	分配到的內(nèi)存塊指針
size 	分配到的內(nèi)存塊的大小
*/
void hook(void *ptr, rt_size_t size)；

/*
釋放內(nèi)存鉤子函數(shù)
參數(shù) 	描述
hook 	鉤子函數(shù)指針
*/
void rt_free_sethook(void (*hook)(void *ptr));
/*
上面函數(shù)的hook 函數(shù)接口
參數(shù) 	描述
ptr 	待釋放的內(nèi)存塊指針
*/
void hook(void *ptr);

釋放內(nèi)存塊后要清空內(nèi)存塊指針，不然會(huì)成為野指針。

三、RT-Thread 內(nèi)存池

RT-Thread 的第二種內(nèi)存管理方式是 內(nèi)存池，內(nèi)存池是一種內(nèi)存分配方式，用于分配大量大小相同的小內(nèi)存塊，它可以極大地加快內(nèi)存分配與釋放的速度，且能盡量避免內(nèi)存碎片化。
他是為了提高內(nèi)存分配的效率，并且避免內(nèi)存碎片而產(chǎn)生的。

基本介紹套用官方說(shuō)明：

內(nèi)存池屬于 內(nèi)核對(duì)象?。≈С志€程掛起功能。

內(nèi)核對(duì)線什么意思？就是我們前面說(shuō)到的，線程，IPC機(jī)制，這些東西都是內(nèi)核對(duì)象，所以存在 內(nèi)存池 控制塊。

有一個(gè)點(diǎn)要注意，內(nèi)存池申請(qǐng)的內(nèi)存塊大小固定！

3.1 內(nèi)存池的位置

內(nèi)存池也是內(nèi)存管理，那么他創(chuàng)建的之后在內(nèi)存的什么位置呢？

首先明白內(nèi)存池作為一個(gè)對(duì)象，其實(shí)可以認(rèn)為是一個(gè)變量，那么他基本上就是屬于.bss段的東西了，在RT-Thread 中，他的位置應(yīng)該是在 .bss段的。

我們按照上面的內(nèi)存分配的示意圖說(shuō)明一下內(nèi)存池申請(qǐng)的內(nèi)存位置：

為了驗(yàn)證一下是否如此，可以初始化一個(gè)內(nèi)存池，編譯后查看一下.map文件：

內(nèi)存池屬于.bss段的數(shù)據(jù)，只不過(guò)他一般來(lái)說(shuō)都是申請(qǐng)的相對(duì)比較大的一塊內(nèi)存空間，然后在這個(gè)大空間內(nèi)自己有自己的分配管理方式。

3.2 內(nèi)存池程序配置和控制塊

內(nèi)存池程序配置：

RT-Thread 的內(nèi)存池在程序中的配置和實(shí)現(xiàn)文件如下圖：

內(nèi)存池控制塊：（因?yàn)槭莾?nèi)對(duì)象，所以還是熟悉的配方，熟悉的味道~ ~）

struct rt_mempool
{
    struct rt_object parent;

    void        *start_address;  /* 內(nèi)存池?cái)?shù)據(jù)區(qū)域開始地址 */
    rt_size_t     size;           /* 內(nèi)存池?cái)?shù)據(jù)區(qū)域大小 */

    rt_size_t     block_size;    /* 內(nèi)存塊大小  */
    rt_uint8_t    *block_list;   /* 內(nèi)存塊列表  */

    /* 內(nèi)存池?cái)?shù)據(jù)區(qū)域中能夠容納的最大內(nèi)存塊數(shù)  */
    rt_size_t     block_total_count;
    /* 內(nèi)存池中空閑的內(nèi)存塊數(shù)  */
    rt_size_t     block_free_count;
    /* 因?yàn)閮?nèi)存塊不可用而掛起的線程列表 */
    rt_list_t     suspend_thread;
    /* 因?yàn)閮?nèi)存塊不可用而掛起的線程數(shù) */
    rt_size_t     suspend_thread_count;
};
typedef struct rt_mempool* rt_mp_t;

內(nèi)存池具體管理方法的實(shí)現(xiàn)可以自己查看下源碼，這里暫時(shí)不做深入研究。

3.3 內(nèi)存池操作 API 函數(shù)

內(nèi)存池作為內(nèi)核對(duì)象，那么他的操作就和以前那些IPC機(jī)制，線程一樣的方式，分為動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，靜態(tài)初始化這些。

并不需要在 板級(jí)初始化的時(shí)候就初始化。用戶可以自己選擇用于不用。

簡(jiǎn)單記錄說(shuō)明一下內(nèi)存池操作函數(shù)：

/*
創(chuàng)建內(nèi)存池
參數(shù) 	描述
name 	內(nèi)存池名
block_count 	內(nèi)存塊數(shù)量
block_size 	內(nèi)存塊容量
返回 	——
內(nèi)存池的句柄 	創(chuàng)建內(nèi)存池對(duì)象成功
RT_NULL 	創(chuàng)建失敗
*/
rt_mp_t rt_mp_create(const char* name,
                         rt_size_t block_count,
                         rt_size_t block_size);
/*
刪除內(nèi)存池
參數(shù) 	描述
mp 	rt_mp_create 返回的內(nèi)存池對(duì)象句柄
返回 	——
RT_EOK 	刪除成功
*/
rt_err_t rt_mp_delete(rt_mp_t mp);
/*
初始化內(nèi)存池
參數(shù) 	描述
mp 	內(nèi)存池對(duì)象
name 	內(nèi)存池名
start 	內(nèi)存池的起始位置
size 	內(nèi)存池?cái)?shù)據(jù)區(qū)域大小
block_size 	內(nèi)存塊容量
返回 	——
RT_EOK 	初始化成功
- RT_ERROR 	失敗
*/
rt_err_t rt_mp_init(rt_mp_t mp,
                        const char* name,
                        void *start, rt_size_t size,
                        rt_size_t block_size);
/*
脫離內(nèi)存池
參數(shù) 	描述
mp 	內(nèi)存池對(duì)象
返回 	——
RT_EOK 	成功
*/
rt_err_t rt_mp_detach(rt_mp_t mp);
/*
分配內(nèi)存塊
參數(shù) 	描述
mp 	內(nèi)存池對(duì)象
time 	超時(shí)時(shí)間
返回 	——
分配的內(nèi)存塊地址 	成功
RT_NULL 	失敗
*/
void *rt_mp_alloc (rt_mp_t mp, rt_int32_t time);
/*
釋放內(nèi)存塊
參數(shù) 	描述
block 	內(nèi)存塊指針
*/
void rt_mp_free (void *block);

結(jié)語(yǔ)

本文從為什么要內(nèi)存管理說(shuō)起，了解了 RT-Thread 的2種內(nèi)存管理方式：內(nèi)存堆 和 內(nèi)存池。

相信不管你平時(shí)用不用動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)，看了這篇文章以后也會(huì)對(duì) RT-Thread 的內(nèi)存管理有一定的了解，在以后需要用到動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的同時(shí)也不會(huì)手足無(wú)措！

但是特別注意，不管使用哪種方式，在申請(qǐng)的內(nèi)存使用完之后都必須及時(shí)釋放，而且要注意清空相應(yīng)的指針！

但是本文的重點(diǎn)在于理解 為什么要內(nèi)存管理，和 內(nèi)存管理管理的是哪一塊的內(nèi)存，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理我們只是借用了官方的說(shuō)明，還是沒有深入的研究分析。這個(gè)需要等以后我有機(jī)會(huì)自己寫一套內(nèi)存管理方式的時(shí)候，或許會(huì)單獨(dú)開一篇文章深入分析。

謝謝！

審核編輯：湯梓紅