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[導讀]在使用C語言開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的過程中,當使用到malloc函數(shù)時候都會有一個爭議,“使用動態(tài)內存分配安全嗎?”,就連美國軍方在safety-critical的嵌入式航空電子設備代碼中,也禁止動態(tài)內存分配,我們來細細分析下。

ID:技術讓夢想更偉大

作者:李肖遙


在使用C語言開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的過程中,當使用到malloc函數(shù)時候都會有一個爭議,“使用動態(tài)內存分配安全嗎?”,就連美國軍方在safety-critical的嵌入式航空電子設備代碼中,也禁止動態(tài)內存分配,我們來細細分析下。

C 庫函數(shù) - malloc()

函數(shù)簡介

malloc的全稱是memory allocation,中文叫動態(tài)內存分配,用于申請一塊連續(xù)的指定大小的內存塊區(qū)域以void* 類型返回分配的內存區(qū)域地址。

當無法知道內存具體位置的時候,想要綁定真正的內存空間,就需要用到動態(tài)的分配內存,且分配的大小就是程序要求的大小。

函數(shù)的聲明

用來分配所需的內存空間,并返回一個指向它的指針。

//參數(shù)??:size --?內存塊的大小,以字節(jié)為單位
//返回值:指針?--?指向已分配大小的內存
//???????NULL?--?如果請求失敗
void?*malloc(size_t?size)

介紹一下用法

#include? #include? #include? int main()
{
???char?*str;
?
???str?=?(char?*)?malloc(15);
???strcpy(str, "hello?world"); printf("String?=?%s,??Address?=?%u\n",?str,?str);

???free(str); return(0);
}

編譯結果如下,大家自行體會malloc的用法。

malloc的實現(xiàn)機制

當我們了解了malloc的作用應用范圍以及用法之后,我們先看看它是怎么實現(xiàn)內存分配的,在此我們需要先了解幾個概念。

虛擬內存地址與物理內存地址

為了簡單便捷,現(xiàn)代操作系統(tǒng)在匯編程序(或機器語言)層面,處理內存地址時,都是使用虛擬內存地址。這樣每個進程可以自己獨享一片2N字節(jié)的內存,其中N是機器位數(shù)。例如在64位CPU和64位OS下,每個進程的虛擬地址空間為2*64 Byte。

虛擬地址的作用主要是簡化程序的編寫及方便操作系統(tǒng)對進程間內存的隔離管理,由于在機器語言層面都是采用虛擬地址,操作系統(tǒng)會將虛擬內存和實際的物理內存進行映射,CPU芯片上叫做存儲器管理單元(Memory Management Unit,MMU)的專用硬件,利用存放在主存中的查詢表來動態(tài)翻譯虛擬地址,才能實現(xiàn)對真實內存數(shù)據(jù)的操作。

頁與地址構成

在現(xiàn)代操作系統(tǒng)是以頁(Page)為單位。一個內存頁是一段固定大小的連續(xù)內存地址的總稱。

內存地址可以分為頁號和頁內偏移量。下面以64位機器,4G物理內存,4K頁大小為例,虛擬內存地址和物理內存地址的組成如下:


內存地址構成

上面是虛擬內存地址,下面是物理內存地址。由于頁大小都是4K,所以頁內都是用低12位表示,而剩下的高地址表示頁號。

MMU映射單位并不是字節(jié),而是頁,這個映射通過查一個常駐內存的數(shù)據(jù)結構頁表來實現(xiàn)?,F(xiàn)在計算機具體的內存地址映射比較復雜,為了加快速度會引入一系列緩存和優(yōu)化。下面給出一個經(jīng)過簡化的內存地址翻譯示意圖。


運行時堆

在已經(jīng)映射的內存空間結尾有一個break指針,這個指針下面是映射好的內存,可以訪問,上面則是未映射的訪問,不能訪問??梢酝ㄟ^系統(tǒng)調用sbrk(位移量)確定brk指針的位置,同時返回brk指針的位置,達到申請內存的目。brk(void *addr)系統(tǒng)調用可以直接將brk設置為某個地址,成功返回0,不成功返回-1。而rlimit則是限制進程堆內存容量的指針。

malloc內存分配原理

malloc采用推進brk指針來增加堆的有效區(qū)域來申請內存空間分配內存,維護一個內存空閑鏈表,當申請內存空間時,搜索內存空閑鏈表,找到適配的空閑內存空間,然后將空間分割成兩個內存塊,一個變成分配塊,一個變成新的空閑塊。如果沒有搜索到,那么就會用sbrk()才推進brk指針來申請內存空間。

為什么避免使用

這其實要從malloc和free的設計上考慮,通常,它們是基于列表分配器算法將內存池組織到單個鏈表中的連續(xù)位置,使用分配器來管理該鏈表,實際上就是尋找空閑位置。

但是在極端的safety-critical系統(tǒng)中,malloc常常極其不可預測,在多核系統(tǒng)上進行多線程開發(fā)時是個難題,具體有以下幾點。

內存有限,多次申請不易管理

嵌入式的內存就只有幾十K到幾百K,程序在運行時向系統(tǒng)申請內存使用,在使用完畢后,需要顯式的釋放,不然后果很嚴重,在多次申請復雜的邏輯開發(fā)時,這就要求程序員對動態(tài)分配的內存很了解

碎片

在c語言中的malloc進行的動態(tài)內存分配和嵌入式系統(tǒng)中使用到堆區(qū)的內存分配會產(chǎn)生內存碎片,例如

char??*p; if(p=char*?malloc(0)==NULL){ printf("NULL\n");
} else{ printf("NOT??NULL");
}

實際上最終出現(xiàn)的并不是NULL,而是NOT?NULL這就說明了進行動態(tài)內存分配的時候產(chǎn)生了內存碎片

  • 內部碎片的產(chǎn)生

所有的內存分配必須起始于可被 4、或8 或16 整除的地址,或者因為MMU的分頁機制的限制,決定內存分配算法僅能把預定大小的內存塊分配給客戶。

假設在請求一個17字節(jié)的內存塊時,它可能會獲得20字節(jié)、24字節(jié)等稍大一點的字節(jié),因此由所需的大小需要四舍五入,而產(chǎn)生的多余空間就叫內部碎片。

  • 外部碎片的產(chǎn)生

頻繁的分配與回收物理頁面會導致大量的、連續(xù)且小的頁面塊夾雜在已分配的頁面中間,就會產(chǎn)生外部碎片。

內存泄漏

分配出去的內存在使用之后沒有釋放掉,沒有回收,長此以往,會造成沒有足夠的內存可以分配。一般表現(xiàn)為運行時間越長,占用的內存越多,最終導致系統(tǒng)奔潰。

所以在進行硬件內存比較小的外圍開發(fā)的時候,一定要避免內存泄漏,合理的使用內存空間,才能更好的發(fā)揮硬件的作用。

怎么解決

在繼續(xù)使用malloc和free的情況下

正確使用malloc函數(shù)分配內存

在實際應用中,我們可以試著把連續(xù)的大塊內存按分區(qū)來管理。每個分區(qū)中包含整數(shù)個大小相同的內存塊。如圖所示:

利用這種機制,就可以得到和釋放固定大小的內存塊。這樣內存的申請和釋放函數(shù)的執(zhí)行時間就是確定的了,但是特定的內存塊在釋放時,必須重新回到它原本屬于的內存分區(qū)。

正確使用free函數(shù)釋放內存

free函數(shù)其實就做了一件事:斬斷指針變量和這塊內存的對應關系,在使用free(p)函數(shù)內存釋放后,指針變量p本身保存的地址并沒有改變,那我們必須需重新把p的值變?yōu)镹ULL:即p = NULL

自定義一套內存分配器

盡量避免使用malloc時,我們可以自定義一套本地線程內存分配器,基于棧的分配器,以及基于本地線程的分配器,通過為每個線程分配特定的內存池來避免沖突

最后

在嵌入式系統(tǒng)中,并不是說不使用malloc()和free()管理內存,而是說在使用時需要讓我們的代碼更具預測性,避免不必要的未知bug產(chǎn)生。


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