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FreeRTOS 提供了5種內存堆管理方案，分別對應heap1/heap2/heap3/heap4/heap5，提供內存管理是作爲 OS 的一項基本功能，FreeRTOS 根據具體的使用場景，將內存管理按需切分成爲了 5 部分，以供不同的場景來針對性使用；
其實庫函數的 malloc 和 free 已經是提供了內存的動態管理功能，但是呢介於一下幾個原因：
- 在嵌入式系統中，它們並不總是可以使用的；
- 它們會佔用更多寶貴的代碼空間；
- 它們沒有線程保護；
- 它們不具有確定性（每次調用執行的時間可能會不同）；
在小型實時嵌入式 OS 中，使用 malloc 和 free，並不是最明智的選擇；所以，FreeRTOS 使用了：pvPortMallo() 和 vPortFree() 函數來代替 malloc() 和 free() 函數，來進行內存管理；
FreeRTOS 內存管理相關的 SourceCode 放置在：
FreeRTOS\Source\portable\MemMang
一共 5 個，今天就來看看第一種內存管理 heap1 是如何實現的；
1、內存大小
heap1 中有幾個關鍵的宏定義：
configTOTAL_HEAP_SIZE
這個是需要用戶根據自己的芯片具體情況來定義的，FreeRTOS 管理的內存就來自於這個值：
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];
ucHeap 就是管理的對象；
2、對齊
有的處理器是對內存對齊有要求的，比如 ARM-CM3 等，AAPCS規則要求堆棧保持8字節對齊。給任務分配棧時需要保證棧是8字節對齊的。所以這裏 FreeRTOS 就需要涉及到對齊操作；針對 ARM-CM3 這類處理器來說，在portmacro.h 文件中，定義了對齊的字節數：
/* Hardware specifics. */
#define portBYTE_ALIGNMENT 8
而在 portable.h 中，定義了對應的 Mask（8字節對齊，那麼都要是 8 的倍數，也就是二進制的 4'b1000，所以 MASK 是 4'b0111 也就是 0x07）：
#if portBYTE_ALIGNMENT == 8
#define portBYTE_ALIGNMENT_MASK ( 0x0007 )
#endif
3、分配內存
分配內存使用了 pvPortMalloc 函數，入參是希望分配的 Size，返回值是分配到內存的起始地址，失敗的話返回 NULL：
/* Index into the ucHeap array. */
static size_t xNextFreeByte = ( size_t ) 0;
void *pvPortMalloc( size_t xWantedSize )
{
void *pvReturn = NULL;
static uint8_t *pucAlignedHeap = NULL;
/* Ensure that blocks are always aligned to the required number of bytes. */
#if( portBYTE_ALIGNMENT != 1 )
{
if( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK )
{
/* Byte alignment required. */
xWantedSize += ( portBYTE_ALIGNMENT - ( xWantedSize & portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) );
}
}
#endif
vTaskSuspendAll();
{
if( pucAlignedHeap == NULL )
{
/* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) &ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );
}
/* Check there is enough room left for the allocation. */
if( ( ( xNextFreeByte + xWantedSize ) < configADJUSTED_HEAP_SIZE ) &&
( ( xNextFreeByte + xWantedSize ) > xNextFreeByte ) )/* Check for overflow. */
{
/* Return the next free byte then increment the index past this
block. */
pvReturn = pucAlignedHeap + xNextFreeByte;
xNextFreeByte += xWantedSize;
}
traceMALLOC( pvReturn, xWantedSize );
}
( void ) xTaskResumeAll();
#if( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 )
{
if( pvReturn == NULL )
{
extern void vApplicationMallocFailedHook( void );
vApplicationMallocFailedHook();
}
}
#endif
return pvReturn;
}
pvReturn 就是如果被分配到內存後的起始地址，初始化成爲 NULL；
這裏注意一下，pucAlignedHeap 是一個 static 變量，它記錄了對齊後，內存 heap 的起始地址；
如果 portBYTE_ALIGNMENT != 1，也就是使用了對齊，那麼需要按需來調整分配內存的大小，也就是 xWantedSize，使其能夠達到對齊的效果；
接着調用 vTaskSuspendAll();，暫時關閉 OS 調度；
接着對初始的 ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ] 進行對齊操作：
/* Ensure the heap starts on a correctly aligned boundary. */
pucAlignedHeap = ( uint8_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) &ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );
這裏爲什麼是 ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] 呢，因爲如果 ucHeap 的起始地址本就不對齊的話，那麼經過對齊操作後得到的地址，便可能小於真實的 ucHeap，所以這裏往前挪了一點；
接下來便是檢查是否能夠正常分配到想要的 Size 的內存，xNextFreeByte 記錄了不斷的分配內存後，可用於分配內存在 ucHeap 的起始地址；這裏的 configADJUSTED_HEAP_SIZE 很關鍵，它被定義爲：
/* A few bytes might be lost to byte aligning the heap start address. */
#define configADJUSTED_HEAP_SIZE ( configTOTAL_HEAP_SIZE - portBYTE_ALIGNMENT )
也就是在 configTOTAL_HEAP_SIZE 基礎之上預留出了 portBYTE_ALIGNMENT 的空間，這個就是用於了剛剛上一步說的 ucHeap[ portBYTE_ALIGNMENT ] 這部分空間；
如果分配成功，那麼 pvReturn 被更新爲 ucHeap 對齊後的起始地址，加上可用內存的起始地址指針 xNextFreeByte；
同時，更新 xNextFreeByte 指針；
整個過程，保證了 ucHeap 的起始地址對齊到 pucAlignedHeap，分配內存的時候，Size 是對齊的；
然後再調用 xTaskResumeAll(); 來恢復 OS 調度；
當然，如果定義了 configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK，在分配失敗的時候，會去調用 vApplicationMallocFailedHook 回調；
4、小結
heap1 不提供 Free 內存的接口，也就是說，這套內存管理是隻提供的分配，一旦申請成功後，這塊內存再也不能被釋放；實際上，大多數的嵌入式系統並不需要動態刪除任務、信號量、隊列等，而是在初始化的時候一次性創建好，便一直使用，永遠不用刪除。所以這個內存管理策略實現簡潔、安全可靠，使用的非常廣泛。