在嵌入式系統中，內存資源通常非常有限，內存泄漏可能導致系統性能下降甚至崩潰。內存泄漏是指程序分配的內存未被正確釋放，逐漸耗盡可用內存。
FreeRTOS作為一種輕量級實時操作系統（RTOS），廣泛應用于資源受限的嵌入式設備，其內存管理機制為開發者提供了檢測和預防內存泄漏的工具和方法。
我們先聊一聊FreeRTOS內存管理機制。
FreeRTOS通過不同的堆實現管理動態內存分配，位于源代碼的portable/MemMang目錄下。
以下是五種堆實現及其特點：
由于heap_1.c不支持釋放，內存泄漏在傳統意義上不存在。因此，本文重點關注支持釋放的堆實現（heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c和heap_5.c），因為這些實現中若分配的內存未被釋放，可能導致泄漏。
FreeRTOS提供兩個關鍵函數用于監控堆使用情況，幫助開發者檢測潛在的內存泄漏：
- xPortGetFreeHeapSize：返回當前剩余堆大小（以字節為單位）。通過定期檢查此值，可以觀察堆使用趨勢。如果剩余堆大小持續下降且未穩定，可能表明存在內存泄漏。
- xPortGetMinimumEverFreeHeapSize：返回自系統啟動以來剩余堆的最小值。此函數可幫助識別堆使用的高峰，判斷是否接近內存耗盡。
以下是一個監控任務，定期記錄堆使用情況：
void vMonitorHeapTask(void *pvParameters) {size_t xFreeHeapSize, xMinFreeHeapSize;for(;;) {xFreeHeapSize = xPortGetFreeHeapSize();xMinFreeHeapSize = xPortGetMinimumEverFreeHeapSize();printf("當前剩余堆: %u 字節, 歷史最小剩余堆: %u 字節\n", xFreeHeapSize, xMinFreeHeapSize);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 每秒記錄一次}
}FreeRTOS提供跟蹤宏（trace macros），允許開發者自定義記錄內核和應用程序事件的行為。
針對內存管理，traceMALLOC和traceFREE宏可用于跟蹤pvPortMalloc和vPortFree調用，幫助識別未釋放的內存塊。
在FreeRTOSConfig.h或應用代碼中，可以定義以下宏：
#define traceMALLOC(pvReturn, xSize) do { \TaskHandle_t xCurrentTask = xTaskGetCurrentTaskHandle(); \char *pcTaskName = pcTaskGetName(xCurrentTask); \printf("任務 %s 分配 %u 字節于地址 %p\n", pcTaskName, xSize, pvReturn); \
} while(0)#define traceFREE(pv, xSize) do { \printf("釋放地址 %p\n", pv); \
} while(0)上述代碼使用printf僅為示例。在實際嵌入式系統中，可能需要將日志寫入緩沖區或通過串口輸出，具體取決于硬件支持。
通過檢查日志，開發者可以對比分配和釋放記錄，尋找未釋放的內存塊。例如，若某個地址在traceMALLOC中出現但未在traceFREE中出現，則可能是泄漏點。
通過修改heap_4.c的BlockLink_t結構，添加字段記錄分配任務的句柄或名稱。例如，Chris Hockuba的文章建議維護一個分配列表（如BlockLink_t* allocList[256]），記錄每個分配的內存塊及其所屬任務。
以下是簡化實現：
void vPortAddToList(BlockLink_t *pxBlock) {for (int i = 0; i < 256; i++) {if (allocList[i] == NULL) {allocList[i] = pxBlock;break;}}
}void vPortRmFromList(BlockLink_t *pxBlock) {for (int i = 0; i < 256; i++) {if (allocList[i] == pxBlock) {allocList[i] = NULL;break;}}
}此方法需要深入理解FreeRTOS源碼，適合高級開發者。
內存泄漏有時與緩沖區溢出相關。可以在分配的內存塊首尾添加canary值（固定模式），定期檢查是否被覆蓋。例如，在pvPortMalloc中額外分配4字節用于尾部canary值，并在釋放時驗證。
若不希望修改堆實現，可以在應用層包裝pvPortMalloc和vPortFree，記錄分配信息：
typedef struct {void *pvAddress;size_t xSize;const char *pcTaskName;
} AllocationRecord;#define MAX_ALLOCATIONS 100
AllocationRecord xAllocations[MAX_ALLOCATIONS];
int xAllocationCount = 0;void *myMalloc(size_t xSize) {void *pvReturn = pvPortMalloc(xSize);if (pvReturn != NULL && xAllocationCount < MAX_ALLOCATIONS) {TaskHandle_t xCurrentTask = xTaskGetCurrentTaskHandle();char *pcTaskName = pcTaskGetName(xCurrentTask);xAllocations[xAllocationCount].pvAddress = pvReturn;xAllocations[xAllocationCount].xSize = xSize;xAllocations[xAllocationCount].pcTaskName = pcTaskName;xAllocationCount++;}return pvReturn;
}void myFree(void *pv) {for (int i = 0; i < xAllocationCount; i++) {if (xAllocations[i].pvAddress == pv) {xAllocations[i] = xAllocations[xAllocationCount - 1];xAllocationCount--;break;}}vPortFree(pv);
}void vPrintAllocations(void) {for (int i = 0; i < xAllocationCount; i++) {printf("任務 %s 分配 %u 字節于 %p\n", xAllocations[i].pcTaskName, xAllocations[i].xSize, xAllocations[i].pvAddress);}
}此跟蹤器記錄每個分配的地址、大小和任務名稱，可通過vPrintAllocations檢查當前分配狀態。
最后，總結一下，為預防和檢測內存泄漏，建議遵循以下實踐：
- 優先靜態分配：使用xTaskCreateStatic等靜態創建函數，避免動態分配風險。
- 確保分配與釋放匹配：每次pvPortMalloc必須有對應的vPortFree。
- 使用內存池：對于固定大小的分配，使用內存池可減少碎片和泄漏風險。
- 定期監控堆：通過監控任務或工具定期檢查堆使用情況。
- 代碼審查：在開發和測試階段審查內存分配代碼，確保邏輯正確。
