聊聊 malloc函數(shù) 在單片機程序設(shè)計中怎么使用

前言

大家知道，我寫過 RT-Thread 專欄，當(dāng)初寫到了內(nèi)存管理的時候，想了想該怎么來說明這個內(nèi)存管理，實際上在平時使用STM32做一般產(chǎn)品的時候基本不會用到 malloc 函數(shù)，即便是使用了操作系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)邏輯不復(fù)雜的情況下，還是用不上malloc。

但是每個嵌入式 RTOS 都會有自己的內(nèi)存管理方式，本文就來聊聊我對 malloc 函數(shù)在單片機程序設(shè)計中的一些看法。

本文并不是要說明在單片機中怎么使用 malloc函數(shù)，而是根據(jù)博主自己的理解，從函數(shù)使用的根本上來分析需不需要使用，何時何地使用。

本文的探討是單片機領(lǐng)域，以 Cortex-M 系列內(nèi)核為例。

一、malloc 函數(shù)簡介

malloc的全稱是memory allocation，中文叫動態(tài)內(nèi)存分配。

函數(shù)原型 void *malloc(unsigned int size)，專業(yè)解釋還是套用百度百科：

對于malloc函數(shù)，應(yīng)該所有嵌入式工程師都知道，即便沒用過也都聽過，通過上面簡單的說明，也都能夠知道是干什么用的。

注意上面紅色框框部分，malloc開辟的是連續(xù)的空間，返回的是一個地址，當(dāng)內(nèi)存不使用，需要使用free()函數(shù)釋放內(nèi)存。

二、malloc 之于單片機

在我們的單片機程序設(shè)計中，大都使用的C語言，當(dāng)然可以使用 malloc 函數(shù)，但是有很多人并不能夠真正的理解它。

要理解單片機系統(tǒng)中的 malloc函數(shù) ，首先必須了解動態(tài)分配的內(nèi)存是在什么地方呢！

2.1 malloc 函數(shù)申請的內(nèi)存在哪里？

也許大部分人知道在堆中！是的，在堆中沒錯。

那么接著問題，堆在單片機的什么地方呢？具體地址是多少呢？

要了解這個問題，就得了解內(nèi)核的數(shù)據(jù)存儲方式，我們以常用的STM32為例，我也寫過文章，帶大家學(xué)習(xí)STM32的內(nèi)存管理（也馬上回在發(fā)燒友發(fā)表，帶給大家）。

這里我可以通過截圖給大家簡單說明，了解下單片機的堆棧，在文中有如下說明：

如果通過上面推薦的博文理解了內(nèi)存分配，那么我們就可以得到如下結(jié)論，可以知道 malloc 申請空間的準確地址了：

2.2 用與不用malloc的區(qū)別

知道了malloc申請空間在單片機中的地址，我們再來看一下用于不用的區(qū)別。

一般在我們的設(shè)計中，函數(shù)中可能會初始化一些臨時變量，如果是一個數(shù)組，那么他也會申請一段內(nèi)存空間，我們通過一張圖來看看使用臨時變量與malloc 的區(qū)別：

解釋到這里，相信大家對在單片機上使用 malloc 有了一個更深的認識。他所存放的空間與我們經(jīng)常局部變量的空間是不同，而且我們也知道了在什么位置。

至于單片機用還是不用 malloc函數(shù)？ 別急，我們還得往下面分析分析。

三、malloc可能遇到的問題

還是官方的百度百科里面介紹malloc的工作機制時候，有下面的說明：

注意圖中畫紅色的部分，簡單解釋就是，使用 malloc 函數(shù)多了以后，會產(chǎn)生很多的內(nèi)存碎片，白白浪費內(nèi)存。

3.1 內(nèi)存碎片

什么是內(nèi)存碎片是什么？

這種專業(yè)的術(shù)語還得靠萬能的百度（雖然百度百科的解釋針對的是大范圍的，但是對于單片機來說其實是一樣的）：

系統(tǒng)中所有的不可用的空閑內(nèi)存就是內(nèi)存碎片。

那么 內(nèi)存碎片是什如何產(chǎn)生的？

在上圖中其實有碎片是如何產(chǎn)生的說明，內(nèi)部碎片是因為處理器的體系結(jié)構(gòu)，需要字節(jié)對齊，比如我們在單片機中，常有4字節(jié)對齊，8字節(jié)對齊，不要說這個也不知道，我隨便打開一個 STM32L051 的啟動文件說明（GCC環(huán)境下的鏈接文件）：

按照這個啟動文件，我們也應(yīng)該能知道，堆棧內(nèi)存空間是需要8字節(jié)對齊的，那么我們在STM32上使用 malloc 分配的內(nèi)存空間是8字節(jié)對齊的，即便你用不上8個字節(jié)，系統(tǒng)也會給你對齊補上。

說到這個，正好了可以說明我們內(nèi)存碎片產(chǎn)生的第一種情況，內(nèi)部碎片的產(chǎn)生：

那么外部碎片的產(chǎn)生，我們也可以用圖形來表示：

隨著內(nèi)存不斷被分配和釋放，整個內(nèi)存區(qū)域會產(chǎn)生越來越多的碎片，因為在使用過程中，申請了一些內(nèi)存，其中一些釋放了，導(dǎo)致內(nèi)存空間中存在一些小的內(nèi)存塊，它們地址不連續(xù)，不能夠作為一整塊的大內(nèi)存分配出去，系統(tǒng)中還有足夠的空閑內(nèi)存，但因為它們地址并非連續(xù)，不能組成一塊連續(xù)的完整內(nèi)存塊，會使得程序不能申請到大的內(nèi)存。

在我們使用的單片機上，碎片產(chǎn)生問題尤為明顯，平時接觸不到，那是因為一般學(xué)習(xí)測試不會遇到復(fù)雜的項目。

3.2 內(nèi)存管理

使用 malloc 會產(chǎn)生碎片，那么有什么辦法可以解決這個問題？

當(dāng)然是有的，那就是內(nèi)存管理。

內(nèi)存管理就是為了解決上面提到的內(nèi)存碎片問題，如何高效，快速的分配，并且在適當(dāng)?shù)臅r候釋放和回收內(nèi)存資源。

對于單片機來說，如果你有能力是可以自己設(shè)計內(nèi)存管理的方式。

如果使用嵌入式操作系統(tǒng)比如 FreeRTOS、RT-Thread 的話，他們內(nèi)核是自帶內(nèi)存管理的，本文并不會討論他們具體是如何內(nèi)存管理的，但是有必要了解一下操作系統(tǒng)的思路。

以 FreeRTOS 為例子說明：

在 FreeRTOS 中有一個宏定義configTOTAL_HEAP_SIZE：

操作系統(tǒng)首先向系統(tǒng)申請了一塊大的內(nèi)存，這塊內(nèi)存內(nèi)存由操作系統(tǒng)自己的內(nèi)存管理方式，對于FreeRTOS而言有5種內(nèi)存管理方式：

我們在設(shè)計的時候可以自己選擇使用哪一種，比如：

對于申請的這塊內(nèi)存由操作系統(tǒng)自動管理，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)創(chuàng)建的任務(wù)，任務(wù)棧使用的就是這一塊內(nèi)存，同時使用pvPortMalloc函數(shù)申請動態(tài)內(nèi)存，也會從這一塊內(nèi)存中分配，因為他有一套完善的內(nèi)存管理方式，所以相對我們直接使用 malloc來說，他能夠很好的處理系統(tǒng)內(nèi)存碎片的問題。

既然說到這里，額外的一個問題，就是 FreeRTOS configTOTAL_HEAP_SIZE定義額這塊內(nèi)存處于單片機內(nèi)存那個部分呢？

這就可以看我的又一篇博文：嵌入式RTOS的 任務(wù)棧 和 系統(tǒng)棧

FreeRTOS申請的內(nèi)存是屬于.bss段的，位置如下圖所示：

對于單片機使用的嵌入式操作系統(tǒng)來說，他們有自己的內(nèi)存管理方式，也會提供對于的動態(tài)內(nèi)存申請結(jié)構(gòu)，這時候我們使用操作系統(tǒng)提供的 malloc 接口函數(shù)，可以很好的避免內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。

注意！！單片機用了有內(nèi)存管理的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)會提供對于的 API，比如 FreeRTOS 的 pvPortMalloc 函數(shù)，RT-Thread 的 rt_malloc 函數(shù)。如果使用 C 庫的 malloc，還是會從系統(tǒng)堆里面申請內(nèi)存！！

對于高端的單片機，有 MMU(內(nèi)存管理單元) 模塊，比如 Cortex-A 系列，有了MMU就能跑linux，那么內(nèi)存管理也是必備。

四、結(jié)語（用還是不用？）

本文算是詳細分析了一下 malloc 函數(shù)在單片機上的使用效果，我們知道了 malloc 函數(shù)使用申請了內(nèi)存空間在哪里，我們也知道了內(nèi)存碎片是如何產(chǎn)生的。

回到我們最初的問題，單片機領(lǐng)域，用還是不用 malloc 函數(shù)？

看完文章這個問題估計都不需要我直接回答了：

從項目復(fù)雜程度來說：

如果跑裸機 做些小項目，如果沒有自己的內(nèi)存管理方式不是必要都不建議使用，同時為了節(jié)約內(nèi)存，可以把heap設(shè)置成很小（留一點給可能調(diào)用的C庫函數(shù)會用到）。

如果跑操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)有完善的內(nèi)存管理，可以痛快的使用操作系統(tǒng)的malloc接口函數(shù)。但是如果做些小項目，也是可以不用的。

如果跑裸機 做些大項目？？？？ 我個人不太建議……

從使用的芯片RAM大小來說：

如果你選用的芯片內(nèi)存比較小，10多K甚至幾K，還是用靜態(tài)內(nèi)存局部變量把，因為能夠使用小內(nèi)存的項目也不會太復(fù)雜，比如物聯(lián)網(wǎng)傳感器單品項目。

如果選用的芯片內(nèi)存比較大上了 MB, 那么還是可以嘗試使用 malloc 動態(tài)內(nèi)存分配的，但是前提還是得有內(nèi)存管理。

但是最后還是得說一下，隨著現(xiàn)在的單片機發(fā)展，內(nèi)存越來越大，雖然單片機小項目不建議使用 malloc 函數(shù)，但是我們上了操作系統(tǒng)以后，要學(xué)會去使用動態(tài)內(nèi)存分配，因為當(dāng)以后做的項目越來越復(fù)雜，線程越來越多，我們定義的局部變量越來越多，即便我們可以繼續(xù)增大系統(tǒng) 棧 的大小，但是這終究不是一種合理的解決方式。

我們應(yīng)該要學(xué)會合理的使用動態(tài)內(nèi)存申請，為了以后向更高的地方前進 ~

沒有必要鉆牛角尖，如果項目簡單但就是想用。比如我就一個函數(shù)使用malloc 申請動態(tài)內(nèi)存，沒有內(nèi)存管理，我就是用了怎么地？ 這種情況用不用都一樣，看自己高興，沒有必要糾結(jié)！

本文就到這里，謝謝大家！

審核編輯 黃宇