FreeRTOS 堆内存管理源码剖析:释放一块内存,空闲块数量反而变少了?

/* heap_4.c */PRIVILEGED_DATA static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];

/* heap_4.c */typedef struct A_BLOCK_LINK{    struct A_BLOCK_LINK * pxNextFreeBlock; /* 空闲时：指向下一个空闲块 */    size_t xBlockSize;                     /* 本块大小(含这8字节头), 最高位=已分配标志 */} BlockLink_t;

/* ================================================================== * FreeRTOS 实验：看 heap_4 释放时怎么合并 * （配套公众号 heap_4 内存管理篇） * 在 main() 里、调度器启动前跑：此时堆是完整一块，基线最干净 * ================================================================== *//* 打印一行快照：空闲总字节 + 最大整块 + 空闲块数量 */staticvoidvHeapReport( constchar * pcTag ){    HeapStats_t xStats;    vPortGetHeapStats( &xStats );    printf( "%s：空闲 %u 字节，最大整块 %u 字节，空闲块 %u 个\r\n",            pcTag,            ( unsigned int ) xPortGetFreeHeapSize(),            ( unsigned int ) xStats.xSizeOfLargestFreeBlockInBytes,            ( unsigned int ) xStats.xNumberOfFreeBlocks );}voidheap_demo( void ){    void * pvA, * pvB, * pvC, * pvD, * pvE, * pvF;    printf( "\r\n=== heap_4 内存管理实验 ===\r\n" );    /* 第 1 步：分配 5 块，实际块大小 112/32/112/32/112（含 8 字节块头） */    pvA = pvPortMalloc( 100 );    pvB = pvPortMalloc( 20 );    pvC = pvPortMalloc( 100 );    pvD = pvPortMalloc( 20 );    pvE = pvPortMalloc( 100 );    vHeapReport( "分配A-E后" );    /* 第 2 步：一口吃掉尾部整块（申请"空闲-8"恰好用完最后一块） */    pvF = pvPortMalloc( xPortGetFreeHeapSize() - 8 );    vHeapReport( "分配F吃掉尾部后" );    /* 第 3 步：放 B、D——堆里出现两个互不相邻的空洞 */    vPortFree( pvB );    vPortFree( pvD );    vHeapReport( "释放B、D后" );    /* 第 4 步：趁没合并，先试一次 150——空闲才 64，粗筛都过不了 */    pvB = pvPortMalloc( 150 );    if( pvB != NULL )    {        printf( "申请150字节：成功\r\n" );    }    else    {        printf( "申请150字节：失败（空闲64字节 < 需要160字节）\r\n" );    }    /* 第 5 步：放 C——夹在两个空洞中间的大块，关键一步 */    vPortFree( pvC );    vHeapReport( "释放C后(关键)" );    /* 第 6 步：合并成果验证：再申请 150（需要一块 160 的整块） */    pvB = pvPortMalloc( 150 );    if( pvB != NULL )    {        printf( "再申请150字节：成功（从合并出的176整块里拿到）\r\n" );    }    else    {        printf( "再申请150字节：失败\r\n" );    }    /* 第 7 步：全部释放，看能不能回到初始状态 */    vPortFree( pvA );    vPortFree( pvB );    vPortFree( pvE );    vPortFree( pvF );    vHeapReport( "全部释放后" );}

int main(void){    NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );    USART1_Init( 115200 );    heap_demo();    /* 跑完停在死循环 */    for( ; ; );}

/* heap_4.c */PRIVILEGED_DATA static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]; /* 堆本体：4KB 数组 */PRIVILEGED_DATA static BlockLink_t xStart;          /* 链表头哨兵(本体在堆外) */PRIVILEGED_DATA static BlockLink_t * pxEnd = NULL; /* 链表尾哨兵(本体藏在堆尾) */PRIVILEGED_DATA static size_t xFreeBytesRemaining = 0;            /* 空闲字节总数 */PRIVILEGED_DATA static size_t xMinimumEverFreeBytesRemaining = 0; /* 历史最低空闲水位 */PRIVILEGED_DATA static size_t xNumberOfSuccessfulAllocations = 0; /* 累计分配次数 */PRIVILEGED_DATA static size_t xNumberOfSuccessfulFrees = 0;       /* 累计释放次数 */

/* heap_4.c prvHeapInit() (节选) */staticvoidprvHeapInit( void ){    BlockLink_t * pxFirstFreeBlock;    portPOINTER_SIZE_TYPE uxStartAddress, uxEndAddress;    size_t xTotalHeapSize = configTOTAL_HEAP_SIZE;    /* 1. 数组起点向上对齐到 8 */    uxStartAddress = ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) ucHeap;    if( ( uxStartAddress & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0 )    {        uxStartAddress += ( portBYTE_ALIGNMENT - 1 );        uxStartAddress &= ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK );        xTotalHeapSize -= ( size_t ) ( uxStartAddress - ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) ucHeap );    }    xStart.pxNextFreeBlock = ( void * ) uxStartAddress;    xStart.xBlockSize = ( size_t ) 0;    /* 2. 堆尾扣 8 字节，pxEnd 哨兵的本体放这里 */    uxEndAddress = uxStartAddress + ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) xTotalHeapSize;    uxEndAddress -= ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) xHeapStructSize;    uxEndAddress &= ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK );    pxEnd = ( BlockLink_t * ) uxEndAddress;    pxEnd->xBlockSize = 0;    pxEnd->pxNextFreeBlock = NULL;    /* 3. 全堆就一个空闲块：从起点到哨兵前，挂上链表 */    pxFirstFreeBlock = ( BlockLink_t * ) uxStartAddress;    pxFirstFreeBlock->xBlockSize = ( size_t ) ( uxEndAddress - uxStartAddress );    pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock = pxEnd;    xMinimumEverFreeBytesRemaining = pxFirstFreeBlock->xBlockSize;    xFreeBytesRemaining = pxFirstFreeBlock->xBlockSize;   /* 真机实测 = 4080，来历见下文三条 */}

/* heap_4.c pvPortMalloc() (节选) */void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize ){    BlockLink_t * pxBlock, * pxPreviousBlock, * pxNewBlockLink;    void * pvReturn = NULL;    size_t xAdditionalRequiredSize;    /* 步骤1：加 8 字节头，再向上对齐到 8 */    if( xWantedSize > 0 )    {        /* 源码此处还有加法溢出检查：溢出直接置 0（返回 NULL），节选略 */        xWantedSize += xHeapStructSize;        if( ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) != 0x00 )        {            xAdditionalRequiredSize =                portBYTE_ALIGNMENT - ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK );            xWantedSize += xAdditionalRequiredSize;        }    }    vTaskSuspendAll();          /* 堆操作的"锁"：挂起调度器，不关中断 */    {        if( pxEnd == NULL )        {            prvHeapInit();      /* 首次调用，建堆 */        }        /* 步骤2：粗筛——空闲总数够不够（注意：只看总数！） */        if( ( xWantedSize > 0 ) && ( xWantedSize <= xFreeBytesRemaining ) )        {            /* 步骤3：从低地址往高地址找，第一个够大的块 */            pxPreviousBlock = &xStart;            pxBlock = xStart.pxNextFreeBlock;            while( ( pxBlock->xBlockSize < xWantedSize )                   && ( pxBlock->pxNextFreeBlock != NULL ) )            {                pxPreviousBlock = pxBlock;                pxBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock;            }            if( pxBlock != pxEnd )   /* 找到了 */            {                /* 返回的指针跳过 8 字节块头 */                pvReturn = ( void * ) ( ( ( uint8_t * ) pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock )                                        + xHeapStructSize );                /* 步骤4：从链表摘下这个块 */                pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock;                /* 步骤5：剩余 > 16 字节才分裂；≤ 16 整块白送 */                if( ( pxBlock->xBlockSize - xWantedSize ) > heapMINIMUM_BLOCK_SIZE )                {                    pxNewBlockLink = ( void * ) ( ( ( uint8_t * ) pxBlock ) + xWantedSize );                    pxNewBlockLink->xBlockSize = pxBlock->xBlockSize - xWantedSize;                    pxBlock->xBlockSize = xWantedSize;                    pxNewBlockLink->pxNextFreeBlock = pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock;                    pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock = pxNewBlockLink;                }                xFreeBytesRemaining -= pxBlock->xBlockSize;                if( xFreeBytesRemaining < xMinimumEverFreeBytesRemaining )                {                    xMinimumEverFreeBytesRemaining = xFreeBytesRemaining;                }                heapALLOCATE_BLOCK( pxBlock );      /* xBlockSize 最高位置 1 */                pxBlock->pxNextFreeBlock = NULL;   /* 已分配块不在任何链表上 */            }        }    }    ( void ) xTaskResumeAll();    return pvReturn;}

/* heap_4.c vPortFree() (节选) */voidvPortFree( void * pv ){    uint8_t * puc = ( uint8_t * ) pv;    BlockLink_t * pxLink;    if( pv != NULL )                         /* 传 NULL 直接返回，安全 */    {        puc -= xHeapStructSize;              /* 从数据指针倒退 8 字节，摸到块头 */        pxLink = ( void * ) puc;        heapVALIDATE_BLOCK_POINTER( pxLink );      /* 块头地址必须在堆内 */        configASSERT( heapBLOCK_IS_ALLOCATED( pxLink ) != 0 ); /* 必须是"已分配"状态 */        configASSERT( pxLink->pxNextFreeBlock == NULL );       /* 必须没被释放过 */        if( heapBLOCK_IS_ALLOCATED( pxLink ) != 0 )        {            if( pxLink->pxNextFreeBlock == NULL )            {                heapFREE_BLOCK( pxLink );    /* xBlockSize 最高位清 0 */                /* 本工程 configHEAP_CLEAR_MEMORY_ON_FREE = 1：释放即清零 */                #if ( configHEAP_CLEAR_MEMORY_ON_FREE == 1 )                {                    ( void ) memset( puc + xHeapStructSize, 0,                                     pxLink->xBlockSize - xHeapStructSize );                }                #endif                vTaskSuspendAll();                {                    xFreeBytesRemaining += pxLink->xBlockSize;                    prvInsertBlockIntoFreeList( pxLink );  /* 核心：进 4.5 */                }                ( void ) xTaskResumeAll();            }        }    }}

/* heap_4.c prvInsertBlockIntoFreeList() */staticvoidprvInsertBlockIntoFreeList( BlockLink_t * pxBlockToInsert ){    BlockLink_t * pxIterator;    uint8_t * puc;    /* 1. 按地址找插入位置：走到"地址刚好比我小"的那个空闲块后面 */    for( pxIterator = &xStart;         pxIterator->pxNextFreeBlock < pxBlockToInsert;         pxIterator = pxIterator->pxNextFreeBlock )    {        /* 空循环，纯找位置 */    }    /* 2. 前合并：我紧跟在 pxIterator 后面吗？ */    puc = ( uint8_t * ) pxIterator;    if( ( puc + pxIterator->xBlockSize ) == ( uint8_t * ) pxBlockToInsert )    {        pxIterator->xBlockSize += pxBlockToInsert->xBlockSize;        pxBlockToInsert = pxIterator;       /* 我并入前块，前块代表我们俩 */    }    /* 3. 后合并：pxIterator 的下一个空闲块紧跟在我后面吗？ */    puc = ( uint8_t * ) pxBlockToInsert;    if( ( puc + pxBlockToInsert->xBlockSize ) ==         ( uint8_t * ) pxIterator->pxNextFreeBlock )    {        if( pxIterator->pxNextFreeBlock != pxEnd )        {            /* 我和后块合成一块，接管它的链表位置 */            pxBlockToInsert->xBlockSize += pxIterator->pxNextFreeBlock->xBlockSize;            pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock =                pxIterator->pxNextFreeBlock->pxNextFreeBlock;        }        else        {            pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock = pxEnd;        }    }    else    {        pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock = pxIterator->pxNextFreeBlock;    }    /* 4. 前面没合并过，才把我挂进链表（合并过的话，位置已经占好了） */    if( pxIterator != pxBlockToInsert )    {        pxIterator->pxNextFreeBlock = pxBlockToInsert;    }}

/* 三个水位 */size_t xNow = xPortGetFreeHeapSize();               /* 现在剩多少 */size_t xLow = xPortGetMinimumEverFreeHeapSize();    /* 历史最惨剩多少 *//* 一次体检：HeapStats_t（portable.h） */HeapStats_t xStats;vPortGetHeapStats( &xStats );

— 写在最后 —

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