RT-Thread记录（八、理解RT-Thread内存管理）

矜辰所致 2022-06-23 2378

描述

RT-Thread内核的我们已经基本都学习过了，除了基本的线程操作和通信，
内核部分还有内存管理和中断处理，本文主要就来说说内存管理相关问题。

前言
一、为什么要内存管理
二、RT-Thread 内存堆管理
2.1 RT-Thread 内存分配
2.2 RT-Thread内存堆管理方式
2.2.1 内存堆管理的3种方式
2.2.2 管理方式的程序配置
2.3 内存堆 API 函数
三、RT-Thread 内存池
3.1 内存池的位置
3.2 内存池程序配置和控制块
3.3 内存池操作 API 函数
结语

前言

记得最初学习 RT-Thread ，对于内存管理我也是简单看看然后一笔带过，当时觉得用不上，在我做的一些传感器单品项目上，对于内存管理确实知道与不知道没什么关系，但是随着认知的增长，项目复杂程度增加，发现内存管理还不可或缺，于是今时今日正好再次来更新 RT-Thread记录，有必要好好的说一说。

RT-Thread 有2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。

先不管这两种方式是怎么实现的，首先要明白一个问题，为什么要内存管理？

本 RT-Thread 专栏记录的开发环境：
RT-Thread记录（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio开发环境及配合CubeMX开发快速上手）
RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析）
RT-Thread 内核篇系列博文链接：
RT-Thread记录（三、RT-Thread 线程操作函数及线程管理与FreeRTOS的比较）
RT-Thread记录（四、RT-Thread 时钟节拍和软件定时器）
RT-Thread记录（五、RT-Thread 临界区保护）
RT-Thread记录（六、IPC机制之信号量、互斥量和事件集）
RT-Thread记录（七、IPC机制之邮箱、消息队列）

一、为什么要内存管理

什么是内存管理？为什么需要内存管理？

在我们的程序设计中，一些数据需要的内存大小需要在程序运行过程中根据实际情况确定，在用户需要一段内存空间时，向系统申请，系统选择一段合适的内存空间分配给用户，用户使用完毕后，再释放回系统，以便系统将该段内存空间回收再利用。

这样子不断的申请释放，如果没有内存管理，就会导致内存碎片，对程序产生极大的影响。

具体的原因我在下面博文有详细说明：浅谈 malloc 函数在单片机上的应用

如果看完上面的博文，就应该知道了内存管理的重要性。

我们确实直接在函数或者线程里面创建临时变量使用线程栈或者系统栈处理临时变量，但是正如上面博文里面所说的，作为一个通用的操作系统，都会且必须得有自己的合理的内存管理方式。
这个在我们现在说明的 RT-Thread 操作系统上是内核已经实现好的，我们得了解它。

知道了为什么，那么接下来我们就来了解一下 RT-Thread 的这2种内存管理方式。

二、RT-Thread 内存堆管理

现在看看内存堆管理，所谓堆，看过我博文的朋友应该已经很熟悉了，对于裸机中的堆的位置，大小设定都应该会有一个详细的认知，如果还不知道堆，可以查看下面这篇博文一步到位的理解：

STM32的内存管理相关（内存架构，内存管理，map文件分析）

上文虽然是以STM32为例子说明，但是对于 C/C++ 程序编译后的存储数据段在不同芯片上的顺序基本都是一样的，于是乎在我的又一篇博文中

嵌入式RTOS的任务栈和系统栈

就得到了一张内存分配的示意图：

2.1 RT-Thread 内存分配

要理解 RT-Thread 内存堆管理，首先得知道它管理的是哪一块内存，所以得知道 RT-Thread 内存分配。

其实细心的朋友会发现，我在前面文章《RT-Thread记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析）》

中提到过 RT-Thread 内存分配情况，在其中的 2.2.2 RT-Thread 堆和栈空间说明（与FreeRTOS不同）有过说明：

通过上面的分析，我们可以得到 RT-Thread 下的内存分配的示意图：

通过上面我们自己的分析，再结合官方说明文档的说明，我们应该能完全明白了什么是 RT-Thread 的内存堆：

至此，我们可以确实的明白，RT-Thread 内存管理管理的是哪一部分的内存了。

2.2 RT-Thread内存堆管理方式

那么RT-Thread 对于内存堆，是如何管理的呢？

说明：对于这部分，我个人记录是以知道为主，毕竟我们专栏以应用为主，我们了解会用即可，如果以后确实自己会需要自己写内存管理，肯定会单独更新一篇博文。
我们先前的基础介绍直接使用官网说明，本节后部分会说明下程序中是怎么选择使用的。

2.2.1 内存堆管理的3种方式

RT-Thread 内存堆管理又根据具体内存设备划分为三种情况：

针对小内存块的分配管理（小内存管理算法）
针对大内存块的分配管理（slab 管理算法）
针对多内存堆的分配情况（memheap 管理算法）

这里套用官方的介绍做个简单说明（如果需要深入了解可以去官网查看）:

2.2.2 管理方式的程序配置

我们上面简单介绍了RT-Thread 内存堆管理的3种方式，虽然我们没有详细分析内部是如何实现，那么我们也得了解在 RT-Thread 工程中，是怎么配置使用哪一种管理方式，同时了解这些方式的实现在程序什么文件中。

在工程的rtconfig.h中有关于内存管理方式的配置：

上图是使用小内存堆管理算法。

如果是使用 slab 管理算法，需要宏定义如下：

#define RT_USING_SLAB
#define RT_USING_HEAP

如果是使用 memheap 管理算法，需要宏定义如下：

#define RT_USING_MEMHEAP_AS_HEAP

具体的实现文件是在工程 mem.c 文件中，如下图：

RT-Thread 内存管理详细的实现方式可以自行查看该文件，这里就不过多介绍。

2.3 内存堆 API 函数

对于 RT-Thread 内存堆管理，是有自己的 malloc 函数，不能直接用 c 语言库中原始的malloc 函数。

其三种管理算法提供的 API 都是相同的。

初始化：

首先是初始化函数：

/*小内存堆和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记录（二、RT-Thread内核启动流程 — 启动文件和源码分析）》板级硬件初始化 — rt_hw_board_init 小结中提到过这个函数：

RT-Thread内存堆初始化函数是在系统启动时候初始化的，而不是我们用户在main函数中再初始化的。

内存管理操作函数：

简单记录一下:

/*
分配内存块
参数：
nbytes 	需要分配的内存块的大小，单位为字节
返回 	——
分配的内存块地址 	成功
RT_NULL 	失败
*/
void *rt_malloc(rt_size_t nbytes);
/*
释放内存块
参数：
ptr 	待释放的内存块指针
*/
void rt_free (void *ptr);
/*
重分配内存块
参数 	描述
rmem 	指向已分配的内存块
newsize 	重新分配的内存大小
返回 	——
重新分配的内存块地址 	成功
*/
void *rt_realloc(void *rmem, rt_size_t newsize);
/*
分配多内存块
参数 	描述
count 	内存块数量
size 	内存块容量
返回 	——
指向第一个内存块地址的指针 	成功 ，并且所有分配的内存块都被初始化成零。
RT_NULL 	分配失败
*/
void *rt_calloc(rt_size_t count, rt_size_t size);

/*
设置内存钩子函数
参数 	描述
hook 	钩子函数指针
*/
void rt_malloc_sethook(void (*hook)(void *ptr, rt_size_t size));
/*
上面函数的hook 函数接口
参数 	描述
ptr 	分配到的内存块指针
size 	分配到的内存块的大小
*/
void hook(void *ptr, rt_size_t size)；

/*
释放内存钩子函数
参数 	描述
hook 	钩子函数指针
*/
void rt_free_sethook(void (*hook)(void *ptr));
/*
上面函数的hook 函数接口
参数 	描述
ptr 	待释放的内存块指针
*/
void hook(void *ptr);

释放内存块后要清空内存块指针，不然会成为野指针。

三、RT-Thread 内存池

RT-Thread 的第二种内存管理方式是内存池，内存池是一种内存分配方式，用于分配大量大小相同的小内存块，它可以极大地加快内存分配与释放的速度，且能尽量避免内存碎片化。
他是为了提高内存分配的效率，并且避免内存碎片而产生的。

基本介绍套用官方说明：

内存池属于内核对象！！支持线程挂起功能。

内核对线什么意思？就是我们前面说到的，线程，IPC机制，这些东西都是内核对象，所以存在内存池控制块。

有一个点要注意，内存池申请的内存块大小固定！

3.1 内存池的位置

内存池也是内存管理，那么他创建的之后在内存的什么位置呢？

首先明白内存池作为一个对象，其实可以认为是一个变量，那么他基本上就是属于.bss段的东西了，在RT-Thread 中，他的位置应该是在 .bss段的。

我们按照上面的内存分配的示意图说明一下内存池申请的内存位置：

为了验证一下是否如此，可以初始化一个内存池，编译后查看一下.map文件：

内存池属于.bss段的数据，只不过他一般来说都是申请的相对比较大的一块内存空间，然后在这个大空间内自己有自己的分配管理方式。

3.2 内存池程序配置和控制块

内存池程序配置：

RT-Thread 的内存池在程序中的配置和实现文件如下图：

内存池控制块：（因为是内对象，所以还是熟悉的配方，熟悉的味道~ ~）

struct rt_mempool
{
    struct rt_object parent;

    void        *start_address;  /* 内存池数据区域开始地址 */
    rt_size_t     size;           /* 内存池数据区域大小 */

    rt_size_t     block_size;    /* 内存块大小  */
    rt_uint8_t    *block_list;   /* 内存块列表  */

    /* 内存池数据区域中能够容纳的最大内存块数  */
    rt_size_t     block_total_count;
    /* 内存池中空闲的内存块数  */
    rt_size_t     block_free_count;
    /* 因为内存块不可用而挂起的线程列表 */
    rt_list_t     suspend_thread;
    /* 因为内存块不可用而挂起的线程数 */
    rt_size_t     suspend_thread_count;
};
typedef struct rt_mempool* rt_mp_t;

内存池具体管理方法的实现可以自己查看下源码，这里暂时不做深入研究。

3.3 内存池操作 API 函数

内存池作为内核对象，那么他的操作就和以前那些IPC机制，线程一样的方式，分为动态创建，静态初始化这些。

并不需要在板级初始化的时候就初始化。用户可以自己选择用于不用。

简单记录说明一下内存池操作函数：

/*
创建内存池
参数 	描述
name 	内存池名
block_count 	内存块数量
block_size 	内存块容量
返回 	——
内存池的句柄 	创建内存池对象成功
RT_NULL 	创建失败
*/
rt_mp_t rt_mp_create(const char* name,
                         rt_size_t block_count,
                         rt_size_t block_size);
/*
删除内存池
参数 	描述
mp 	rt_mp_create 返回的内存池对象句柄
返回 	——
RT_EOK 	删除成功
*/
rt_err_t rt_mp_delete(rt_mp_t mp);
/*
初始化内存池
参数 	描述
mp 	内存池对象
name 	内存池名
start 	内存池的起始位置
size 	内存池数据区域大小
block_size 	内存块容量
返回 	——
RT_EOK 	初始化成功
- RT_ERROR 	失败
*/
rt_err_t rt_mp_init(rt_mp_t mp,
                        const char* name,
                        void *start, rt_size_t size,
                        rt_size_t block_size);
/*
脱离内存池
参数 	描述
mp 	内存池对象
返回 	——
RT_EOK 	成功
*/
rt_err_t rt_mp_detach(rt_mp_t mp);
/*
分配内存块
参数 	描述
mp 	内存池对象
time 	超时时间
返回 	——
分配的内存块地址 	成功
RT_NULL 	失败
*/
void *rt_mp_alloc (rt_mp_t mp, rt_int32_t time);
/*
释放内存块
参数 	描述
block 	内存块指针
*/
void rt_mp_free (void *block);

结语

本文从为什么要内存管理说起，了解了 RT-Thread 的2种内存管理方式：内存堆和内存池。

相信不管你平时用不用动态内存申请，看了这篇文章以后也会对 RT-Thread 的内存管理有一定的了解，在以后需要用到动态内存分配的同时也不会手足无措！

但是特别注意，不管使用哪种方式，在申请的内存使用完之后都必须及时释放，而且要注意清空相应的指针！

但是本文的重点在于理解为什么要内存管理，和内存管理管理的是哪一块的内存，对于如何实现内存管理我们只是借用了官方的说明，还是没有深入的研究分析。这个需要等以后我有机会自己写一套内存管理方式的时候，或许会单独开一篇文章深入分析。

谢谢！

　　审核编辑：汤梓红

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