浅谈 malloc 函数在单片机上的应用
前言
最近更新 RT-Thread 专栏到了内存管理的时候,想了想该怎么来说明这个内存管理,实际上在平时使用 STM32 做一般产品的时候基本不会用到 malloc 函数,即便是使用了操作系统,在业务逻辑不复杂的情况下,还是用不上 malloc。
但是每个嵌入式 RTOS 都会有自己的内存管理方式,本文就来聊聊我对 malloc 函数在单片机程序设计中的一些看法。
本文并不是要说明在单片机中怎么使用 malloc 函数,而是根据博主自己的理解,从函数使用的根本上来分析需不需要使用,何时何地使用。
本文的探讨是单片机领域,以 Cortex-M 系列内核为例。
一、malloc 函数简介
malloc 的全称是 memory allocation,中文叫动态内存分配。
函数原型 void *malloc(unsigned int size)
,专业解释还是套用百度百科:
对于 malloc 函数,应该所有嵌入式工程师都知道,即便没用过也都听过,通过上面简单的说明,也都能够知道是干什么用的。
注意上面红色框框部分,malloc 开辟的是连续的空间,返回的是一个地址,当内存不使用,需要使用free()
函数释放内存。
二、malloc 之于单片机
在我们的单片机程序设计中,大都使用的 C 语言,当然可以使用 malloc 函数,但是有很多人并不能够真正的理解它。
要理解单片机系统中的 malloc 函数 ,首先必须了解动态分配的内存是在什么地方呢!
2.1 malloc 函数申请的内存在哪里?
也许大部分人知道在堆中!是的,在堆中没错。
那么接着问题,堆在单片机的什么地方呢?具体地址是多少呢?
要了解这个问题,就得了解内核的数据存储方式,我们以常用的 STM32 为例,我在下面这篇博文详细的介绍过 STM32 的内存管理(如果不懂的建议先看一下这篇博文):
STM32 的内存管理相关(内存架构,内存管理,map 文件分析)
https://xie.infoq.cn/article/625b2009e810086435349be30
先简单了解下单片机的堆栈,文中有如下说明:
如果通过上面推荐的博文理解了内存分配,那么我们就可以得到如下结论,可以知道 malloc 申请空间的准确地址了:
2.2 用与不用 malloc 的区别
知道了 malloc 申请空间在单片机中的地址,我们再来看一下用于不用的区别。
一般在我们的设计中,函数中可能会初始化一些临时变量,如果是一个数组,那么他也会申请一段内存空间,我们通过一张图来看看使用临时变量与 malloc 的区别:
解释到这里,相信大家对在单片机上使用 malloc 有了一个更深的认识。他所存放的空间与我们经常局部变量的空间是不同,而且我们也知道了在什么位置。
至于单片机用还是不用 malloc 函数? 别急,我们还得往下面分析分析。
三、malloc 可能遇到的问题
还是官方的百度百科里面介绍 malloc 的工作机制时候,有下面的说明:
注意图中画红色的部分,简单解释就是,使用 malloc 函数多了以后,会产生很多的内存碎片,白白浪费内存。
3.1 内存碎片
什么是内存碎片是什么?
这种专业的术语还得靠万能的百度(虽然百度百科的解释针对的是大范围的,但是对于单片机来说其实是一样的):
系统中所有的不可用的空闲内存就是内存碎片。
那么 内存碎片是什如何产生的?
在上图中其实有碎片是如何产生的说明,内部碎片是因为处理器的体系结构,需要字节对齐,比如我们在单片机中,常有 4 字节对齐,8 字节对齐,不要说这个也不知道,我随便打开一个 STM32L051 的启动文件说明(GCC 环境下的链接文件):
按照这个启动文件,我们也应该能知道,堆栈内存空间是需要 8 字节对齐的,那么我们在 STM32 上使用 malloc 分配的内存空间是 8 字节对齐的,即便你用不上 8 个字节,系统也会给你对齐补上。
说到这个,正好了可以说明我们内存碎片产生的第一种情况,内部碎片的产生:
那么外部碎片的产生,我们也可以用图形来表示:
随着内存不断被分配和释放,整个内存区域会产生越来越多的碎片,因为在使用过程中,申请了一些内存,其中一些释放了,导致内存空间中存在一些小的内存块,它们地址不连续,不能够作为一整块的大内存分配出去,系统中还有足够的空闲内存,但因为它们地址并非连续,不能组成一块连续的完整内存块,会使得程序不能申请到大的内存。
在我们使用的单片机上,碎片产生问题尤为明显,平时接触不到,那是因为一般学习测试不会遇到复杂的项目。
3.2 内存管理
使用 malloc 会产生碎片,那么有什么办法可以解决这个问题?
当然是有的,那就是内存管理。
内存管理就是为了解决上面提到的内存碎片问题,如何高效,快速的分配,并且在适当的时候释放和回收内存资源。
对于单片机来说,如果你有能力是可以自己设计内存管理的方式。
如果使用嵌入式操作系统比如 FreeRTOS、RT-Thread 的话,他们内核是自带内存管理的,本文并不会讨论他们具体是如何内存管理的,但是有必要了解一下操作系统的思路。
以 FreeRTOS 为例子说明:
在 FreeRTOS 中有一个宏定义configTOTAL_HEAP_SIZE
:
操作系统首先向系统申请了一块大的内存,这块内存内存由操作系统自己的内存管理方式,对于 FreeRTOS 而言有 5 种内存管理方式:
我们在设计的时候可以自己选择使用哪一种,比如:
对于申请的这块内存由操作系统自动管理,FreeRTOS 操作系统创建的任务,任务栈使用的就是这一块内存,同时使用pvPortMalloc
函数申请动态内存,也会从这一块内存中分配,因为他有一套完善的内存管理方式,所以相对我们直接使用 malloc
来说,他能够很好的处理系统内存碎片的问题。
既然说到这里,额外的一个问题,就是 FreeRTOS configTOTAL_HEAP_SIZE
定义额这块内存处于单片机内存那个部分呢?
这就可以看我的又一篇博文:嵌入式RTOS的 任务栈 和 系统栈
FreeRTOS 申请的内存是属于.bss 段的,位置如下图所示:
对于单片机使用的嵌入式操作系统来说,他们有自己的内存管理方式,也会提供对于的动态内存申请结构,这时候我们使用操作系统提供的 malloc 接口函数,可以很好的避免内存碎片的产生。
注意!!单片机用了有内存管理的操作系统,系统会提供对于的 API,比如 FreeRTOS 的 pvPortMalloc
函数,RT-Thread 的 rt_malloc
函数。如果使用 C 库的 malloc
,还是会从系统堆里面申请内存!!
对于高端的单片机,有 MMU(内存管理单元) 模块,比如 Cortex-A 系列,有了 MMU 就能跑 linux,那么内存管理也是必备。
四、结语(用还是不用?)
本文算是详细分析了一下 malloc 函数在单片机上的使用效果,我们知道了 malloc 函数使用申请了内存空间在哪里,我们也知道了内存碎片是如何产生的。
回到我们最初的问题,单片机领域,用还是不用 malloc 函数?
看完文章这个问题估计都不需要我直接回答了:
从项目复杂程度来说:
如果跑裸机 做些小项目,如果没有自己的内存管理方式不是必要都不建议使用,同时为了节约内存,可以把 heap 设置成很小(留一点给可能调用的 C 库函数会用到)。
如果跑操作系统,操作系统有完善的内存管理,可以痛快的使用操作系统的malloc
接口函数。但是如果做些小项目,也是可以不用的。
如果跑裸机 做些大项目???? 我个人不太建议……
从使用的芯片 RAM 大小来说:
如果你选用的芯片内存比较小,10 多 K 甚至几 K,还是用静态内存局部变量把,因为能够使用小内存的项目也不会太复杂,比如物联网传感器单品项目。
如果选用的芯片内存比较大上了 MB, 那么还是可以尝试使用 malloc 动态内存分配的,但是前提还是得有内存管理。
但是最后还是得说一下,随着现在的单片机发展,内存越来越大,虽然单片机小项目不建议使用 malloc 函数,但是我们上了操作系统以后,要学会去使用动态内存分配,因为当以后做的项目越来越复杂,线程越来越多,我们定义的局部变量越来越多,即便我们可以继续增大系统 栈 的大小,但是这终究不是一种合理的解决方式。我们应该要学会合理的使用动态内存申请,为了以后向更高的地方前进 ~
没有必要钻牛角尖,如果项目简单但就是想用。比如我就一个函数使用 malloc 申请动态内存,没有内存管理,我就是用了怎么地? 这种情况用不用都一样,看自己高兴,没有必要纠结!
谢谢!
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【矜辰所致】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/360d61991f783723e434fc09f】。文章转载请联系作者。
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