在单片机芯片上,如果不考虑出厂固化的 ROM 空间的话,通常开发者能接触到的存储空间主要分两种:掉电可保存数据的片内 FLASH 和掉电不可保存数据的片内 RAM。

 

片内 RAM(通常理解为内存)的访问速度比较快,可以按照变量地址随机访问,但断电后数据丢失。片内 FLASH(通常理解为硬盘)所保存的内容比较固定,主要用来保存程序本身的数据内容,保存的内容断电不丢失。

 

对于单片机的片内 RAM 内存,主要有堆和栈之分,本章的内存管理,主要是基于堆内存管理进行开展的,在 RT-Thread 中,有两种堆内存管理方式:动态内存堆管理和静态内存池管理。

 

关于 RT-Thread 内存管理相关的内容,官方提供了比较丰富的文档作为参考,具体可以查看以下链接:

 

https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/memory/memory/

 

本文尝试从以下几个方面总结一下 RT-Thread 内存管理的学习过程

 

 

内存管理相关介绍

在运行操作系统的单片机上面,代码和变量会占用一部分固定的内存开销,操作系统在初始化的时候,会去除掉这部分已经占用的内存,把剩下的闲置内存纳入到系统堆里面进行统一管理,不管是动态堆内存,还是静态内存池,都是使用这部分闲置空间的。

 

 

由于在实时操作系统里面对时间的要求十分严格,为了保证内存分配的时候不影响系统的实时性,就需要确保分配内存的时间是确定并可控的;并且在内存分配达到一定次数后,就不可避免地产生内存碎片;与此同时,嵌入式设备的内存资源相对有限,有些系统只有几十 KB 内存,而有些系统则有几十 MB。

 

所以,为了解决以上内存分配可能出现的问题,需要使用一些内存管理算法来进行这些内存分配管理,RT-Thread 提供了两种内存管理方式,分别是:动态内存堆管理和静态内存池管理。

 

动态内存堆管理

内存堆管理分配主要用于系统动态分配内存的场合,比如,我们使用动态方式创建某些内核对象(如消息队列,邮箱,信号量,等等)的时候,所使用到的内存空间就是动态内存堆。动态内存堆的意思是,要用多少,系统就分配多少给你,不用的时候,就要进行释放,还给系统再进行统一管理。

 

关于动态内存堆的管理,主要有三种算法:小内存分配算法,slab 算法,memheap 算法。关于这三种管理算法的实现原理介绍,RT-Thread 官方已经给出了比较详细的解释,这里不再重复论述。

 

 

需要注意的是,这三种内存管理算法,我们只能通过 menuconfig 来配置系统内核,选择其中一种内存管理方法,对于用户的应用程序接口而言,这三种算法是透明的,也就是说提供给用户的内存管理接口是相同的,只是算法的实现原理不同。

 

关于动态堆内存管理,操作系统提供了以下 API 接口函数,如下图所示。

 

 

静态内存池管理

在使用动态内存堆管理系统内存的时候,这种方式非常灵活和方便,想用内存的时候就向系统申请分配,不用的时候就释放还给系统,但这种方式也存在一定的弊端。

 

主要是向系统申请内存的时候,都要遍历一次空闲内存的链表,查找可用的内存块,然后再分配给用户,而且这种方式不可避免地会产生内存碎片,所以这种内存管理方式的效率不是很高。这是一种“用时间换空间”的内存管理方式。

 

为了提高内存的分配效率,RT-Thread 提供了静态内存池管理的方式。静态内存池就是系统把自身管理的内存预先划分为多个固定大小的内存块,当用户需要申请内存的时候,就从这些固定大小的内存块里面申请。

 

静态内存池管理的方式,还支持线程挂起操作,当系统没有内存块可用时,线程就会挂起等待,直到能申请到可用的内存块,这种特性可以用做线程间同步。

 

关于静态内存池的工作机制,如下图所示。

 

 

RT-Thread 提供了以下 API 函数接口,用于静态内存池管理。

 

 

内存堆和内存池的应用示例

内存管理相关的应用示例,主要是为了验证动态内存堆管理和静态内存池管理相关的 API 函数接口,这里包含两个示例,分别是内存堆管理示例和内存池管理示例。

 

示例源码下载链接:

 

https://github.com/embediot/rtthread_study_notes

 

https://gitee.com/embediot/rtthread_study_notes

 

内存堆管理示例会创建一个动态的线程,这个线程会动态申请内存并释放,每次申请更大的内存,当申请不到的时候就结束。例程中分配内存成功并打印信息;当试图申请 65536 byte 即 64KB 内存时,由于开发板的单片机 RAM 总大小只有 64K,而可用 RAM 小于 64K,所以分配失败。

 

内存池管理示例会创建一个静态的内存池对象,2 个动态线程。一个线程会试图从内存池中获得内存块,另一个线程释放内存块内存块。总共初始化了 4096 /(80+4) = 48 个内存块。

 

1、线程 1 申请了 48 个内存块之后,此时内存块已经被用完,需要其他地方释放才能再次申请;但此时,线程 1 以一直等待的方式又申请了 1 个,由于无法分配,所以线程 1 挂起;

 

2、线程 2 开始执行释放内存的操作;当线程 2 释放一个内存块的时候,就有一个内存块空闲出来,唤醒线程 1 申请内存,申请成功后再申请,线程 1 又挂起,再循环一次步骤 2;

 

3、线程 2 继续释放剩余的内存块,释放完毕。

 

在 memory_test.h 头文件里面,通过打开相应的宏定义开关,重新编译工程源码,下载到开发板即可验证实验现象,如下图所示。

 

 

内存管理相关注意事项

在使用 RT-Thread 内存管理相关接口的时候,为了确保系统稳定性,有以下注意事项:

 

1、由于系统为了保证内存在多线程的状态下能安全分配,引入了互斥操作,因此不能在中断服务程序里面分配或释放内存块,否则会引起当前线程被挂起。

 

2、在使用内存堆管理的时候,产生的内存碎片会在系统空闲线程运行的时候进行回收。

 

3、用户应用程序在申请内存分配的时候,建议判断是否申请成功,并对申请成功的内存空间进行初始化后再使用。

 

4、动态内存堆管理是一种“用时间换空间”的内存管理方式,这种方式可以节省一定的内存空间,但会损失一点效率。

 

5、静态内存池管理是一种“用空间换时间”的内存管理方式,这种方式相对来说比较高效,但会造成一定的空间浪费。

 

6、对于以 KB 为单位的单片机片内 RAM 内存,一般采用动态内存堆里面的小内存管理算法即可。

 

感谢阅读!