嵌入式裸機(jī)編程中使用malloc、free會(huì)怎樣？

在嵌入式裸機(jī)編程中，作為一名初級(jí)的CODER。經(jīng)常要與CPU、內(nèi)存等打交道。CPU作為系統(tǒng)的動(dòng)力源，其重要程度不言而喻。

但是，在裸機(jī)編程中，對(duì)內(nèi)存的管理也不容忽視。如果稍微不注意，輕則，可能造成內(nèi)存泄漏，重則造成內(nèi)存訪問(wèn)異常。導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)。

嵌入式產(chǎn)品，對(duì)穩(wěn)定性要求及其嚴(yán)格。動(dòng)不動(dòng)就死機(jī)，那可就麻煩大了。以下，是我本人對(duì)嵌入式系統(tǒng)裸機(jī)編程的內(nèi)存管理的一些簡(jiǎn)介。

1、盡量不使用庫(kù)自帶的malloc和free。

malloc和free在PC編程中是很好用的一種內(nèi)存分配手段。但是，其在嵌入式中，就未必好用了。由于嵌入式裸機(jī)編程中，無(wú)MMU，即內(nèi)存管理單元。無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行動(dòng)態(tài)映射（不明白什么叫動(dòng)態(tài)映射的同學(xué)，可以參考網(wǎng)上的資料）。

也就是說(shuō)，實(shí)際上，malloc和free并不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的內(nèi)存的管理。這需要在啟動(dòng)階段專門(mén)給其分配一段空閑的內(nèi)存區(qū)域作為malloc的內(nèi)存區(qū)。如STM32中的啟動(dòng)文件startup_stm32f10x_md.s中可見(jiàn)以下信息：

Heap_Size       EQU     0x00000800

                AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
__heap_base
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
__heap_limit

其中，Heap_Size即定義一個(gè)宏定義。數(shù)值為 0x00000800。Heap_Mem則為申請(qǐng)一塊連續(xù)的內(nèi)存，大小為 Heap_Size。簡(jiǎn)化為C語(yǔ)言版本如下：

#define Heap_Size 0x00000800
unsigned char Heap_Mem[Heap_Size] = {0};

在這里申請(qǐng)的這塊內(nèi)存，在接下來(lái)的代碼中，被注冊(cè)進(jìn)系統(tǒng)中給malloc和free函數(shù)所使用：

__user_initial_stackheap
LDR     R0, =  Heap_Mem  ;  返回系統(tǒng)中堆內(nèi)存起始地址
LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size); 返回系統(tǒng)中堆內(nèi)存的結(jié)束地址
LDR     R3, = Stack_Mem
BX      LR

就如上面分析的那樣，其實(shí)，在裸機(jī)編程的時(shí)候，對(duì)堆內(nèi)存的管理。并非是智能化的，并非你想申請(qǐng)多少就多少。而是使用一塊固定的內(nèi)存用作堆內(nèi)存的分配。這在設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往不是最佳的方案。這塊內(nèi)存，如果被多次按照不同的大小進(jìn)行申請(qǐng)，就會(huì)造成內(nèi)存碎片。最終導(dǎo)致無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存。導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)。這在原本內(nèi)存就已經(jīng)很少的嵌入式系統(tǒng)中，更是不能接受的。所以，建議是把那個(gè)Heap_Size設(shè)置成 0 吧。放棄其使用吧。

而更為致命的是，有些malloc，free函數(shù)，由于工程人員的偷懶。實(shí)現(xiàn)甚至可能如下：

unsigned char mem_buffer[512];
unsigned char *mem_offset = & mem_buffer;
void *malloc(int size)
{
    unsigned char *tmp = mem_offset;
    mem_offset += size;
    return (void *)tmp;
}

void free(void *mem)
{
 mem_offset = mem;
}

2、不用malloc、free的原因

一般單片機(jī)的內(nèi)存都比較小，而且沒(méi)有MMU,malloc 與free的使用容易造成內(nèi)存碎片。而且可能因?yàn)榭臻g不足而分配失敗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，因此應(yīng)該慎用，或者自己實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理。如：《一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的單片機(jī)內(nèi)存管理器》

在函數(shù)中使用malloc，如果是大的內(nèi)存分配，而且malloc與free的次數(shù)也不是特別頻繁，使用malloc與free是比較合適的，但是如果內(nèi)存分配比較小，而且次數(shù)特別頻繁，那么使用malloc與free就有些不太合適了。

因?yàn)檫^(guò)多的malloc與free容易造成內(nèi)存碎片，致使可使用的堆內(nèi)存變小。尤其是在對(duì)單片機(jī)等沒(méi)有MMU的芯片編程時(shí)，慎用malloc與free。如果需要對(duì)內(nèi)存的頻繁操作，可以自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)存管理。

使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，應(yīng)分不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

對(duì)于在操作系統(tǒng)上運(yùn)行的程序，實(shí)際的物理內(nèi)存分配與釋放使用操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即使程序調(diào)用了 malloc和free物理內(nèi)存并不會(huì)馬上變化。物理內(nèi)存的變化，直到系統(tǒng)的內(nèi)存管理操作時(shí)才發(fā)生。

對(duì)于裸機(jī)跑在MCU上的程序，分配與釋放內(nèi)存都會(huì)造成實(shí)際物理內(nèi)存的變化。因?yàn)榇藭r(shí)物理內(nèi)存的分配是由自己實(shí)現(xiàn)的，而內(nèi)存管理我們自己并沒(méi)有去做。這樣，盲目的使用malloc與free恰恰并不好，反而會(huì)造成內(nèi)存的不恰當(dāng)使用。甚至于內(nèi)存溢出。

所以，動(dòng)態(tài)內(nèi)存的使用前提是有一套好的內(nèi)存管理方法，這樣動(dòng)態(tài)內(nèi)存的使用才會(huì)合理使用內(nèi)存。如果沒(méi)有合適的內(nèi)存管理代碼，還是用靜態(tài)內(nèi)存好一些。

3、 更好的替代方案：內(nèi)存池。

可能有些同學(xué)，覺(jué)得：內(nèi)存池，這是什么東西？

內(nèi)存池，簡(jiǎn)潔地來(lái)說(shuō)，就是預(yù)先分配一塊固定大小的內(nèi)存。以后，要申請(qǐng)固定大小的內(nèi)存的時(shí)候，即可從該內(nèi)存池中申請(qǐng)。用完了，自然要放回去。注意，內(nèi)存池，每次申請(qǐng)都只能申請(qǐng)固定大小的內(nèi)存。這樣子做，有很多好處：

（1）每次動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)的大小都是固定的，可以有效防止內(nèi)存碎片化。（至于為什么，可以想想，每次申請(qǐng)的都是固定的大小，回收也是固定的大小）

（2）效率高，不需要復(fù)雜的內(nèi)存分配算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。申請(qǐng)，釋放的時(shí)間復(fù)雜度，可以做到O(1)。

（3）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易用。

（4）內(nèi)存的申請(qǐng)，釋放都在可控的范圍之內(nèi)。不會(huì)出現(xiàn)以后運(yùn)行著，運(yùn)行著，就再也申請(qǐng)不到內(nèi)存的情況。

內(nèi)存池，并非什么很厲害的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)起來(lái)，其實(shí)可以做到很簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)鏈表即可。在初始化的時(shí)候，把全局變量申請(qǐng)來(lái)的內(nèi)存，一個(gè)個(gè)放入該鏈表中。在申請(qǐng)的時(shí)候，只需要取出頭部并返回即可。在釋放的時(shí)候，只需要把該內(nèi)存插入鏈表。以下是一種簡(jiǎn)單的例子（使用移植來(lái)的linux內(nèi)核鏈表，對(duì)該鏈表的移植，以后有時(shí)間再去分析）：

#define MEM_BUFFER_LEN  5    //內(nèi)存塊的數(shù)量
#define MEM_BUFFER_SIZE 256 //每塊內(nèi)存的大小

//內(nèi)存池的描述，使用聯(lián)合體，體現(xiàn)窮人的智慧。就如，我一同學(xué)說(shuō)的：一個(gè)字節(jié)，恨不得掰成8個(gè)字節(jié)來(lái)用。
typedef union mem {
struct list_head list;
unsigned char buffer[MEM_BUFFER_SIZE];
}mem_t;

static union mem gmem[MEM_BUFFER_LEN];

LIST_HEAD(mem_pool);

//分配內(nèi)存
void *mem_pop()
{
    union mem *ret = NULL;
    psr_t psr;

    psr = ENTER_CRITICAL();
    if(!list_empty(&mem_pool)) { //有可用的內(nèi)存池 
        ret = list_first_entry(&mem_pool, union mem, list);
        //printf("mem_pool = 0x%p  ret = 0x%p\n", &mem_pool, &ret->list);
        list_del(&ret->list);
 }
 EXIT_CRITICAL(psr);
 return ret;//->buffer;
}


//回收內(nèi)存
void mem_push(void *mem)
{
    union mem *tmp = NULL; 
    psr_t psr;

    tmp = (void *)mem;//container_of(mem, struct mem, buffer);
    psr = ENTER_CRITICAL();
    list_add(&tmp->list, &mem_pool);
    //printf("free = 0x%p\n", &tmp->list);

    EXIT_CRITICAL(psr);
}

//初始化內(nèi)存池
void mem_pool_init()
{
    int i;
    psr_t psr;
    psr = ENTER_CRITICAL();
    for(i=0; i<MEM_BUFFER_LEN; i++) {
        list_add(&(gmem[i].list), &mem_pool);
        //printf("add mem 0x%p\n", &(gmem[i].list));
 }
 EXIT_CRITICAL(psr);
}

整理來(lái)自：

1、https://blog.csdn.net/chenyuwen789/category_5823163.html

2、https://blog.csdn.net/c12345423/article/details/53004465