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[導(dǎo)讀]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。


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 0x00000800AREA HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3__heap_baseHeap_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 0x00000800unsigned 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_stackheapLDR 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_MemBX 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 list_add(&(gmem[i].list), &mem_pool); //printf("add mem 0x%p\n", &(gmem[i].list)); } EXIT_CRITICAL(psr);}


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