嵌入式裸机编程中使用malloc、free会怎样?

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cathy 发布于:周三, 07/21/2021 - 10:41 ,关键词:

在嵌入式裸机编程中,作为一名初级的CODER。经常要与CPU、内存等打交道。CPU作为系统的动力源,其重要程度不言而喻。

但是,在裸机编程中,对内存的管理也不容忽视。如果稍微不注意,轻则,可能造成内存泄漏,重则造成内存访问异常。导致系统死机。

嵌入式产品,对稳定性要求及其严格。动不动就死机,那可就麻烦大了。以下,是我本人对嵌入式系统裸机编程的内存管理的一些简介。

1、尽量不使用库自带的malloc和free

malloc和free在PC编程中是很好用的一种内存分配手段。但是,其在嵌入式中,就未必好用了。由于嵌入式裸机编程中,无MMU,即内存管理单元。无法实现对内存进行动态映射(不明白什么叫动态映射的同学,可以参考网上的资料)。

也就是说,实际上,malloc和free并不能实现动态的内存的管理。这需要在启动阶段专门给其分配一段空闲的内存区域作为malloc的内存区。如STM32中的启动文件startup_stm32f10x_md.s中可见以下信息:

Heap_Size       EQU     0x00000800

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

其中,Heap_Size即定义一个宏定义。数值为 0x00000800。Heap_Mem则为申请一块连续的内存,大小为 Heap_Size。简化为C语言版本如下:

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

在这里申请的这块内存,在接下来的代码中,被注册进系统中给malloc和free函数所使用:

__user_initial_stackheap
LDR     R0, =  Heap_Mem  ;  返回系统中堆内存起始地址
LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size); 返回系统中堆内存的结束地址
LDR     R3, = Stack_Mem
BX      LR

就如上面分析的那样,其实,在裸机编程的时候,对堆内存的管理。并非是智能化的,并非你想申请多少就多少。而是使用一块固定的内存用作堆内存的分配。这在设计的时候,往往不是最佳的方案。这块内存,如果被多次按照不同的大小进行申请,就会造成内存碎片。最终导致无法申请到足够的内存。导致系统运行出错。这在原本内存就已经很少的嵌入式系统中,更是不能接受的。所以,建议是把那个Heap_Size设置成 0 吧。放弃其使用吧。

而更为致命的是,有些malloc,free函数,由于工程人员的偷懒。实现甚至可能如下:

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

一般单片机的内存都比较小,而且没有MMU,malloc 与free的使用容易造成内存碎片。而且可能因为空间不足而分配失败,从而导致系统崩溃,因此应该慎用,或者自己实现内存管理。

在函数中使用malloc,如果是大的内存分配,而且malloc与free的次数也不是特别频繁,使用malloc与free是比较合适的,但是如果内存分配比较小,而且次数特别频繁,那么使用malloc与free就有些不太合适了。

因为过多的malloc与free容易造成内存碎片,致使可使用的堆内存变小。尤其是在对单片机等没有MMU的芯片编程时,慎用malloc与free。如果需要对内存的频繁操作,可以自己实现一个内存管理。

使用动态内存分配,应分不同的应用场合。

对于在操作系统上运行的程序,实际的物理内存分配与释放使用操作系统来实现的,即使程序调用了 malloc和free物理内存并不会马上变化。物理内存的变化,直到系统的内存管理操作时才发生。

对于裸机跑在MCU上的程序,分配与释放内存都会造成实际物理内存的变化。因为此时物理内存的分配是由自己实现的,而内存管理我们自己并没有去做。这样,盲目的使用malloc与free恰恰并不好,反而会造成内存的不恰当使用。甚至于内存溢出。

所以,动态内存的使用前提是有一套好的内存管理方法,这样动态内存的使用才会合理使用内存。如果没有合适的内存管理代码,还是用静态内存好一些。

3、 更好的替代方案:内存池

可能有些同学,觉得:内存池,这是什么东西?

内存池,简洁地来说,就是预先分配一块固定大小的内存。以后,要申请固定大小的内存的时候,即可从该内存池中申请。用完了,自然要放回去。注意,内存池,每次申请都只能申请固定大小的内存。这样子做,有很多好处:

(1)每次动态内存申请的大小都是固定的,可以有效防止内存碎片化。(至于为什么,可以想想,每次申请的都是固定的大小,回收也是固定的大小)

(2)效率高,不需要复杂的内存分配算法来实现。申请,释放的时间复杂度,可以做到O(1)。

(3)实现简单,易用。

(4)内存的申请,释放都在可控的范围之内。不会出现以后运行着,运行着,就再也申请不到内存的情况。

内存池,并非什么很厉害的技术。实现起来,其实可以做到很简单。只需要一个链表即可。在初始化的时候,把全局变量申请来的内存,一个个放入该链表中。在申请的时候,只需要取出头部并返回即可。在释放的时候,只需要把该内存插入链表。以下是一种简单的例子(使用移植来的linux内核链表,对该链表的移植,以后有时间再去分析):

#define MEM_BUFFER_LEN  5    //内存块的数量
#define MEM_BUFFER_SIZE 256 //每块内存的大小

//内存池的描述,使用联合体,体现穷人的智慧。就如,我一同学说的:一个字节,恨不得掰成8个字节来用。
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);

//分配内存
void *mem_pop()
{
    union mem *ret = NULL;
    psr_t psr;

    psr = ENTER_CRITICAL();
    if(!list_empty(&mem_pool)) { //有可用的内存池 
        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;
}


//回收内存
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);
}

//初始化内存池
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);
}

整理来自:

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

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

来源:嵌入式大杂烩
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