嵌入式系统裸机编程的内存管理简介

FPGA之家 2020-12-28 3091

描述

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：

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 0x00000800unsigned 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_stackheapLDR     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_MemBX      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。如：《一个简单而强大的单片机内存管理器》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
", &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
", &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        list_add(&(gmem[i].list), &mem_pool);        //printf("add mem 0x%p
", &(gmem[i].list)); } EXIT_CRITICAL(psr);}

责任编辑：xj
原文标题：嵌入式裸机编程中使用malloc、free会怎样？

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描述

1、尽量不使用库自带的malloc和free。

2、不用malloc、free的原因

3、 更好的替代方案：内存池。

3、更好的替代方案：内存池。