malloc 函数在单片机上的应用

只看该作者 · 2024-9-17 17:00

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 [size=0.9em]void *malloc(unsigned int size)，专业解释还是套用百度百科：
在这里插入图片描述对于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）

先简单了解下单片机的堆栈，文中有如下说明：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

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）：

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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）：
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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：

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那么外部碎片的产生，我们也可以用图形来表示：

在这里插入图片描述

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[size=0.9em]configTOTAL_HEAP_SIZE：
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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：

在这里插入图片描述

我们在设计的时候可以自己选择使用哪一种，比如：