feat: add interactive FC01 heap4 card
This commit is contained in:
user
@@ -0,0 +1,178 @@
|
||||
# FC01 — FreeRTOS `heap_4`: od kursora do wolnych bloków
|
||||
|
||||
## Decyzja dydaktyczna
|
||||
|
||||
To jest jedna 30-minutowa lekcja i bezpośrednia kontynuacja projektu
|
||||
K&R 5.4 z karty C07. Karta nie uczy pięciu implementacji heap jako pięciu
|
||||
równorzędnych tematów. `heap_1`, `heap_2`, `heap_3` i `heap_5` zajmują łącznie
|
||||
maksymalnie minutę kontekstu. Cała właściwa praca dotyczy `heap_4`.
|
||||
|
||||
Task 1 i Task 2 są krótkimi modelami prowadzonymi przez nauczyciela. Uczeń
|
||||
najpierw zapisuje predykcję, ale nie buduje i nie debugguje tych programów
|
||||
osobno podczas lekcji. Task 3, linkujący upstream `heap_4.c`, jest jedynym
|
||||
centralnym przebiegiem ucznia.
|
||||
|
||||
## Stan wejściowy z K&R 5.4
|
||||
|
||||
Uczeń przychodzi z działającym kodem:
|
||||
|
||||
```text
|
||||
allocbuf[64]
|
||||
allocp
|
||||
allocator_reset()
|
||||
alloc_local(5) -> offset 0
|
||||
alloc_local(7) -> offset 5
|
||||
allocp -> offset 12
|
||||
alloc_local(0) oraz OOM -> NULL bez przesunięcia kursora
|
||||
```
|
||||
|
||||
Nie powtarzamy sposobu działania tego kodu. Zaczynamy od jego granicy:
|
||||
|
||||
> Jak zwolnić obszar 5 B spod offsetu 0, zachować późniejszy obszar 7 B spod
|
||||
> offsetu 5 i ponownie wykorzystać powstałą dziurę?
|
||||
|
||||
W projekcie nie istnieje operacja zwolnienia pojedynczego obszaru. Nawet proste
|
||||
cofnięcie kursora unieważniłoby wszystkie późniejsze przydziały. Brakuje
|
||||
tożsamości bloku, jego rozmiaru, zbioru dziur i mechanizmu ich łączenia.
|
||||
|
||||
## Cel w jednym zdaniu
|
||||
|
||||
Po 30 minutach uczeń potrafi wyjaśnić i pokazać w debuggerze, jak `heap_4`
|
||||
dodaje do liniowej areny nagłówki, wybór first-fit, podział bloku, listę wolnych
|
||||
bloków oraz scalanie sąsiadów, a następnie odróżnić bieżącą ilość wolnej
|
||||
pamięci, największy wolny blok i minimum-ever.
|
||||
|
||||
## Most K&R 5.4 -> `heap_4`
|
||||
|
||||
| K&R 5.4 — stan projektu | Ograniczenie | `heap_4` — nowy mechanizm |
|
||||
| --- | --- | --- |
|
||||
| `allocbuf[64]` i jeden `allocp` | istnieje tylko wolny ogon areny | `ucHeap[]` i bloki opisane nagłówkami |
|
||||
| wynik to surowy adres | allocator nie zna później rozmiaru obszaru | `BlockLink_t` przed payloadem przechowuje rozmiar |
|
||||
| kolejne przydziały tylko przesuwają kursor | nie można użyć dziury | lista wolnych bloków i wybór first-fit |
|
||||
| brak zwalniania pojedynczego obszaru | reset odzyskuje wszystko naraz | `vPortFree()` odzyskuje wskazany blok |
|
||||
| brak relacji między dziurami | sąsiednie dziury pozostają rozdzielone | porządek adresowy i coalescing w obie strony |
|
||||
| tylko sukces albo `NULL` | brak informacji o fragmentacji | free, largest, liczba bloków i minimum-ever |
|
||||
|
||||
W realnym `heap_4.c` najwyższy bit `xBlockSize` oznacza blok przydzielony.
|
||||
Uproszczone modele Task 1–2 pokazują geometrię i listę, ale nie odtwarzają tego
|
||||
bitu. To jawna granica modelu.
|
||||
|
||||
## Przygotowanie przed lekcją
|
||||
|
||||
Budowanie, flashowanie i wykrywanie debug probe nie wchodzą do budżetu 30 minut.
|
||||
Przed wejściem uczniów:
|
||||
|
||||
1. zbuduj Task 3 dla `pico2_w` / RP2350 RISC-V;
|
||||
2. wgraj zweryfikowany obraz i otwórz sesję na tym samym ELF;
|
||||
3. ustaw pierwszy breakpoint na `heap4_fragmented_checkpoint`;
|
||||
4. przygotuj widok `ucHeap`, `g_fragmented_stats`, `g_final_stats`,
|
||||
`xFreeBytesRemaining` i `xMinimumEverFreeBytesRemaining`;
|
||||
5. przygotuj Hazard3 jako awaryjny zamiennik — podczas lekcji użyj jednej
|
||||
platformy, nigdy obu.
|
||||
|
||||
`heap_4` jest implementacją wybraną i linkowaną przez projekt. Nie jest
|
||||
sprzętowym heapem ani peryferium RP2350.
|
||||
|
||||
## Przebieg 30 minut
|
||||
|
||||
| Czas | Tryb | Działanie i dowód |
|
||||
| --- | --- | --- |
|
||||
| 0–3 min | problem | Przypomnij wyłącznie offsety `0 -> 5 -> 12`. Uczeń próbuje zwolnić pierwszy obszar bez utraty drugiego i nazywa brakującą operację. |
|
||||
| 3–4 min | kontekst | Jedno zdanie: FreeRTOS dostarcza wymienne implementacje tego samego API; ta karta i oficjalne przykłady Pico 2 W linkują `heap_4`. |
|
||||
| 4–9 min | Task 1 — demo | Do żądania dodaj nagłówek, wyrównaj rozmiar, wybierz pierwszy pasujący blok i podziel go. Uczeń zapisuje `wanted` i `remainder` przed odsłonięciem wyniku. |
|
||||
| 9–16 min | Task 2 — demo | Dla `A:48 | B:48 | C:48` pokaż listę `A -> C`, wstaw `B` po adresie i sprawdź scalenie w prawo oraz w lewo: `2 bloki / 96 B / largest 48 B -> 1 blok / 144 B / largest 144 B`. |
|
||||
| 16–27 min | Task 3 — RUN | Na przygotowanym Pico 2 W przejdź przez prawdziwy `heap_4.c`: trzy alokacje, free A i C, checkpoint z dwoma blokami, free B, checkpoint z jednym blokiem, OOM=`NULL` i jeden malloc-failed hook. Uczeń wypełnia tabelę relacji. |
|
||||
| 27–30 min | wyjście | Uczeń wymienia trzy dodatki ponad K&R (`header`, `free list`, `coalescing`) i wyjaśnia: suma wolnych bajtów może być większa od największego bloku, a minimum-ever nie rośnie po `free`. |
|
||||
|
||||
## Task 1 — model nagłówka i splitu
|
||||
|
||||
Task 1 nie jest osobnym laboratorium. Na RV32 nagłówek modelu ma 8 B, więc
|
||||
żądanie 13 B daje `wanted=24 B` i `remainder=232 B` z areny 256 B. Na AMD64
|
||||
odpowiednie wartości to 16 B, 32 B i 224 B. Różnica ABI jest tylko pomocą w
|
||||
zrozumieniu `sizeof` i wyrównania; podczas głównego przebiegu obowiązuje RP2350.
|
||||
|
||||
Predykcja ucznia:
|
||||
|
||||
```text
|
||||
free list: [16 B] -> [80 B] -> [160 B]
|
||||
request + header po wyrównaniu: 24 B
|
||||
first-fit wybiera: __________
|
||||
po split: allocated ______ B, remainder ______ B
|
||||
```
|
||||
|
||||
Wykonywalny Task 1 dowodzi obecnie geometrii splitu jednego bloku. Samo
|
||||
przeszukanie dwóch kandydatów jest elementem demonstracji i realnego
|
||||
`pvPortMalloc()`, dlatego nie opisujemy Task 1 jako pełnego testu first-fit.
|
||||
|
||||
## Task 2 — model listy adresowej i coalescingu
|
||||
|
||||
```text
|
||||
pamięć: [ A:48 FREE ][ B:48 USED ][ C:48 FREE ]
|
||||
free list: A --------------------------------> C
|
||||
|
||||
vPortFree(B)
|
||||
1. wstaw B pomiędzy A i C według adresu;
|
||||
2. jeśli end(B) == addr(C), połącz B+C;
|
||||
3. jeśli end(A) == addr(BC), połącz A+BC;
|
||||
|
||||
wynik: [ ABC:144 FREE ]
|
||||
free list: A -> END
|
||||
```
|
||||
|
||||
Uczeń przed odsłonięciem rysuje listę i wpisuje `2 -> 1`, `96 -> 144` oraz
|
||||
`48 -> 144` odpowiednio dla liczby bloków, sumy i largest.
|
||||
|
||||
## Task 3 — centralny przebieg upstream `heap_4.c`
|
||||
|
||||
```text
|
||||
RESET/INIT
|
||||
-> ALLOC A(24)
|
||||
-> ALLOC B(40)
|
||||
-> ALLOC C(16)
|
||||
-> FREE A
|
||||
-> FREE C
|
||||
-> heap4_fragmented_checkpoint # 2 free blocks
|
||||
-> FREE B
|
||||
-> OOM request
|
||||
-> task03_debug_checkpoint # 1 free block, pass=1
|
||||
```
|
||||
|
||||
Uczeń zapisuje tylko relacje, ponieważ dokładne bajty zależą od ABI i
|
||||
konfiguracji:
|
||||
|
||||
| Obserwacja | Oczekiwany związek |
|
||||
| --- | --- |
|
||||
| po trzech alokacjach | `after_allocations < initial_free` |
|
||||
| stan pofragmentowany | `free_blocks == 2`, `largest < total_free` |
|
||||
| po `free(B)` | `final_free == initial_free`, `free_blocks == 1` |
|
||||
| low-water mark | `minimum_ever <= after_allocations` i nie rośnie po free |
|
||||
| OOM | wynik `NULL`, hook `1`, brak uszkodzenia listy |
|
||||
|
||||
Minimalny dowód w GDB:
|
||||
|
||||
```gdb
|
||||
p g_fragmented_stats
|
||||
p g_final_stats
|
||||
p xFreeBytesRemaining
|
||||
p xMinimumEverFreeBytesRemaining
|
||||
p xStart
|
||||
p pxEnd
|
||||
x/96bx ucHeap
|
||||
```
|
||||
|
||||
## Kryterium zaliczenia
|
||||
|
||||
Uczeń zalicza lekcję, jeżeli:
|
||||
|
||||
- wskaże, dlaczego jeden kursor nie wystarcza do zwolnienia obszaru ze środka;
|
||||
- rozróżni nagłówek allocatora od payloadu i stosu `sp`;
|
||||
- przewidzi przejście wolnej listy `2 -> 1` po zwolnieniu B;
|
||||
- wyjaśni różnicę `total free` kontra `largest free block`;
|
||||
- wyjaśni, dlaczego minimum-ever nie wraca po `free`;
|
||||
- pokaże `aligned=1 oom=1 hooks=1 asserts=0 pass=1` w Task 3.
|
||||
|
||||
## Poza lekcją
|
||||
|
||||
Jako rozszerzenie lub pracę własną pozostają: pełne czytanie `heap_4.c`,
|
||||
uruchomienie Task 1–2 na AMD64 i Hazard3, samodzielny deploy RP2350 oraz
|
||||
porównanie z `heap_1`, `heap_2`, `heap_3` i `heap_5`.
|
||||
Reference in New Issue
Block a user