在FreeRTOS8.0.1這個版本中，一共有四個內存堆模型。這一次講的就是第二個模型Heap_2.c。從一開始就可以看到注釋中對Heap_2的模型解釋：這是對pvPortMalloc()和vPortFree()的簡單實現，除了可以分配內存之外，還可以對已分配的內存進行回收，但相鄰空閑塊不會進行合并，因此會造成一定的內存碎片。（A sample implementation of pvPortMalloc() and vPortFree() that permits allocated blocks to be freed, but does not combine adjacent free blocks into a single larger block (and so will fragment memory).）

在Heap_2中，由于開始支持對內存進行回收，因此FreeRTOS以空閑塊對內存堆進行管理，并且使用了最佳適配算法(best fit algorithm)去進行內存的分配。

首先，還是由內存中開辟一個靜態數組ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]作為FreeRTOS的內存堆。同樣也會因為對齊的原因FreeRTOS對內存堆的可用空間進行了調整，并定義了常量configADJUSTED_HEAP_SIZE。（具體已在上一篇《內存管理Heap_1.c》中介紹）

接下來可以留意Heap_2.c中最重要的結構struct A_BLOCK_LINK。由于FreeRTOS用空閑塊對內存堆進行管理，于是用這一個結構來形成一條空閑塊鏈表對空閑塊進行組織和管理。
/* Define the linked list structure. This is used to link free blocks in order of their size. */
typedef struct A_BLOCK_LINK
{
struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock; /*<< The next free block in the list. */
size_t xBlockSize; /*<< The size of the free block. */
} BlockLink_t;

這個結構有兩個成員，第一個是節點Next指針pxNextFreeBlock，第二個是空閑塊大小。一個空閑塊就用這樣的一個結構節點表示，所有節點通過Next指針形成一條空閑塊鏈表。FreeRTOS還定義了這個鏈表的頭xStart和尾xEnd。
/* Create a couple of list links to mark the start and end of the list. */
static BlockLink_t xStart, xEnd;

與Heap_1不同，在Heap_2中會有一個堆初始化的過程prvHeapInit()。這一個過程被pvPortMalloc()調用，但只被調用一次。主要還是對內存堆進行對齊還有對空閑塊表進行初始化工作。下面是它的工作流程。

首先，初始化流程對整個內存堆進行地址對齊工作。對齊的原因的原理與Heap_1一樣。
/* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) &ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) & ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) ~portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );

在獲取到地址對齊后的內存堆首地址之后，就要對空閑塊鏈表進行初始化。留意，xStart是鏈表頭，并不表示一個空閑塊，xEnd是鏈表尾，也不表示一個空閑塊，但記錄著整個堆的大小。其代碼如下：
/* xStart is used to hold a pointer to the first item in the list of free
blocks. The void cast is used to prevent compiler warnings. */
xStart.pxNextFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap;
xStart.xBlockSize = ( size_t ) 0;

/* xEnd is used to mark the end of the list of free blocks. */
xEnd.xBlockSize = configADJUSTED_HEAP_SIZE;
xEnd.pxNextFreeBlock = NULL;

/* To start with there is a single free block that is sized to take up the
entire heap space. */
pxFirstFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap;
pxFirstFreeBlock->xBlockSize = configADJUSTED_HEAP_SIZE;
pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock = &xEnd;

經過上面的初始化流程后，整個鏈表如下圖所示。注意，xStart和xEnd是存在于靜態存儲區中，并不在FreeRTOS申請的內存堆數組中，但初始時第一個節點卻在內存堆數組中。我用的編譯器是Keil MDK 5.11，并且將FreeRTOS移植到STM32上，因此一個A_BLOCK_LINK的大小為8個字節。

整個初始化的流程就完成了。接下來看看pvPortMalloc()分配內存的流程。如Heap_1一樣，在真正開始分配內存時，用vTaskSuspendAll()掛起所有任務，防止分配內存的過程被中斷，確保操作的原子性。緊接著，如果是第一次調用pvPortMalloc()，則調用prvHeapInit()對內存堆和空閑塊鏈表進行初始化。由于在Heap_2中將內存堆用空閑塊處理，因此用戶每申請一次內存，FreeRTOS都會在申請的空間前加上空閑塊頭部BlockLink_t，用于記錄分配出去的空間的大小。因此，真正要分配的內存空間大小就等于用戶申請的內存空間大小加上空閑塊頭部的大小。加上頭部之后，還要對整個大小進行對齊。因此，在真正分配空間之前，FreeRTOS都對用戶申請的空間大小進行了調整。如下面的代碼所示。
/* The wanted size is increased so it can contain a BlockLink_t
structure in addition to the requested amount of bytes. */
if( xWantedSize > 0 )
{
xWantedSize += heapSTRUCT_SIZE;

/* Ensure that blocks are always aligned to the required number of bytes. */
if( ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0 )
{
/* Byte alignment required. */
xWantedSize += ( portBYTE_ALIGNMENT - ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );
}
}

在這一段代碼里，有一個地方要注意的就是這里用到的空閑塊頭部并不是直接sizeof(BlockLink_t)，而是heapSTRUCT_SIZE，這個常量也定義在Heap_2.c中，這是對空閑塊頭部的大小再進行了一次大小對齊。
接下來做了一個分配判斷。xWantedSize0，還看得我很迷糊的。本來xWantedSize就是unsigned int，是大于等于0的，一下子沒有留意到等于0是什么情況。等于0，就是加上空閑塊頭之后的大小變為0了？這是神馬情況？！看來這個判斷條件很另人費解啊。過了分配判斷之后，接下來就是best fit algorithm的實現了。在這里，空閑塊的大小是按從小到大的順序排列的。因此，遍歷鏈表，找到第一塊比申請空間大的空閑塊即為最合適的空閑塊。然后返回這個空閑塊頭后的首地址。注意，一定是空閑塊頭后的首地址哦，要是直接將空閑塊的首地址返回的話，那用戶就會將空閑塊頭修改了。另一個要注意的地方是，要是分配出去的空閑塊的剩余空間要是比兩倍的空閑塊頭還要大，則將分配出去的這個空閑塊分割剩余的空間出來，重新放到空閑塊鏈表中。例如，初始化后只有一個空閑塊，這個空閑塊大小為17KB。經過調整后的用戶申請空間大小為1KB，則FreeRTOS就從這個空閑塊靠近塊首的地方分割出1KB出來分配出去，剩余的16KB則重新放回空閑塊鏈表里。以便下一次繼續分配。這一個切割空閑塊的代碼如下。
/* If the block is larger than required it can be split into two. */
if( ( pxBlock->xBlockSize - xWantedSize ) > heapMINIMUM_BLOCK_SIZE )
{
/* This block is to be split into two. Create a new block
following the number of bytes requested. The void cast is
used to prevent byte alignment warnings from the compiler. */
pxNewBlockLink = ( void * ) ( ( ( uint8_t * ) pxBlock ) + xWantedSize );

/* Calculate the sizes of two blocks split from the single block. */
pxNewBlockLink->xBlockSize = pxBlock->xBlockSize - xWantedSize;
pxBlock->xBlockSize = xWantedSize;

/* Insert the new block into the list of free blocks. */
prvInsertBlockIntoFreeList( ( pxNewBlockLink ) );
}

在上面的一段代碼里，有一個值得注意的宏prvInsertBlockIntoFreeList()。這個宏的作用是將空閑塊重新添加到空閑塊鏈表中。注意，并不能將分割出來的空閑塊放到原空閑塊的位置中，因為鏈表中的空閑塊是按從小到大的順序排列的，這個宏的作用就是將新空閑塊插入到合適的鏈表位置中。這是一個簡單的鏈表操作，非常簡單，也不必詳細說明了。這個宏的具體代碼如下。
/*
* Insert a block into the list of free blocks - which is ordered by size of
* the block. Small blocks at the start of the list and large blocks at the end
* of the list.
*/
#define prvInsertBlockIntoFreeList( pxBlockToInsert )
{
BlockLink_t *pxIterator;
size_t xBlockSize;

xBlockSize = pxBlockToInsert->xBlockSize;

/* Iterate through the list until a block is found that has a larger size */
/* than the block we are inserting. */
for( pxIterator = &xStart; pxIterator->pxNextFreeBlock->xBlockSize < xBlockSize; pxIterator = pxIterator->pxNextFreeBlock )
{
/* There is nothing to do here - just iterate to the correct position. */
}

/* Update the list to include the block being inserted in the correct */
/* position. */
pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock = pxIterator->pxNextFreeBlock;
pxIterator->pxNextFreeBlock = pxBlockToInsert;
}

完成以上操作后，修改剩余空閑塊空閑大小xFreeBytesRemaining，整個分配內存的工作就差不多結束了。接下來FreeRTOS調用一個調試信息用的宏traceMALLOC()，恢復所有掛起的任務，再根據宏配置調用勾子函數vApplicationMallocFailedHook()，最后返回分配出來的空間地址pvReturn（成功時為空間地址，失敗時為NULL）。這樣整個pvPortMalloc()就結束了。
接下來要繼續剖析的是Heap_1中所沒有具體實現的vPortFree()。這一個函數非常地短，首先判斷要釋放的內存是否為空。要是不為空，則尋找這個內存空間的空閑塊頭，然后掛起所有任務，按照空閑塊頭的信息把它重新插入到空閑塊鏈表中，最后調用調試信息宏，恢復掛起的任務就結束了。其代碼如下。
void vPortFree( void *pv )
{
uint8_t *puc = ( uint8_t * ) pv;
BlockLink_t *pxLink;

if( pv != NULL )
{
/* The memory being freed will have an BlockLink_t structure immediately
before it. */
puc -= heapSTRUCT_SIZE;

/* This unexpected casting is to keep some compilers from issuing
byte alignment warnings. */
pxLink = ( void * ) puc;

vTaskSuspendAll();
{
/* Add this block to the list of free blocks. */
prvInsertBlockIntoFreeList( ( ( BlockLink_t * ) pxLink ) );
xFreeBytesRemaining += pxLink->xBlockSize;
traceFREE( pv, pxLink->xBlockSize );
}
xTaskResumeAll();
}
}

不過在仔細想想這一段代碼，我覺得這一段代碼是有點問題，就是判斷要釋放內存的有效性。這里它只是很簡單地判斷傳進來的指針是否為空而已，但是要是這個指針不為空，但卻在FreeRTOS申請的內存堆數組之外呢？這樣的話就會修改到內存的其它部分了，非常危險的操作。因此我覺得，如果要修改的話，應該還要加上判斷傳入進來的地址是否在有效的地址范圍內，如下面代碼所示。至于我這一個想法是否有問題，希望大家能討論一下，這樣我也可以從大家的討論中學習學習。
if( pv!=NULL)
{
if( pv >= &ucHeap[ pucAlignedHeap ] && pv <= &ucHeap[ pucAlignedHeap + configADJUSTED_HEAP_SIZE ] )
{
/* the operation of adding the block to the list of free blocks */
}
}

到這里，Heap_2的重點部分就已經剖析完了。剩下的xPortGetFreeHeapSize()只是返回剩余堆大小而已，vPortInitialiseBlocks()實際上啥也沒實現，根據注釋它的作用只是防止鏈接器放警告而已。

總結：Heap_2比Heap_1的代碼更長，要剖析的知識點更多。一開始看的時候還覺得有點怕怕，怕剖著剖著就不知道怎么剖了。在剖的過程中還有很多知識點要翻翻課本，例如在看到最佳適配算法(best fit algorithm)時，要翻翻Andrew S. Tanenbaum寫的《Modern Operating Systems》。經過這樣的實例剖析之后，我發覺對以前學的東西有了更深刻的理解。以前上課只是說說有這個算法而已，具體怎么實現卻完全沒有講。直到現在，我才發覺原來這個算法的真實應用，真是另我大開眼界。以后學習的路還很長，剖析完FreeRTOS還有很長的一段距離。要繼續加油加油！