嵌入式裸机编程中为何一般很少用malloc、free？

嵌入式情报局 2021-11-27

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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：

1Heap_Size       EQU     0x00000800
2AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
3__heap_base
4Heap_Mem        SPACE   Heap_Size
5__heap_limit

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：

1#define Heap_Size 0x00000800
2unsigned 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：

1__user_initial_stackheap
2LDR     R0, =  Heap_Mem  ;  返回系统中堆内存起始地址
3LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
4LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size); 返回系统中堆内存的结束地址
5LDR     R3, = Stack_Mem
6BX      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：

 1unsigned char mem_buffer[512];
 2unsigned char *mem_offset = & mem_buffer;
 3void *malloc(int size)
 4{
 5    unsigned char *tmp = mem_offset;
 6    mem_offset += size;
 7    return (void *)tmp;
 8}
 9void free(void *mem)
10{
11    mem_offset = mem;
12}

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）：

 1#define MEM_BUFFER_LEN  5    //内存块的数量
 2#define MEM_BUFFER_SIZE 256 //每块内存的大小
 3
 4//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。
 5typedef union mem {
 6    struct list_head list;
 7    unsigned char buffer[MEM_BUFFER_SIZE];
 8}mem_t;
 9
10static union mem gmem[MEM_BUFFER_LEN];
11
12LIST_HEAD(mem_pool);
13
14//分配内存
15void *mem_pop()
16{
17    union mem *ret = NULL;
18    psr_t psr;
19
20    psr = ENTER_CRITICAL();
21    if(!list_empty(&mem_pool)) { //有可用的内存池 
22        ret = list_first_entry(&mem_pool, union mem, list);
23        //printf("mem_pool = 0x%p  ret = 0x%p\n", &mem_pool, &ret->list);
24        list_del(&ret->list);
25 }
26 EXIT_CRITICAL(psr);
27 return ret;//->buffer;
28}
29
30
31//回收内存
32void mem_push(void *mem)
33{
34    union mem *tmp = NULL; 
35    psr_t psr;
36
37    tmp = (void *)mem;//container_of(mem, struct mem, buffer);
38    psr = ENTER_CRITICAL();
39    list_add(&tmp->list, &mem_pool);
40    //printf("free = 0x%p\n", &tmp->list);
41
42    EXIT_CRITICAL(psr);
43}
44
45//初始化内存池
46void mem_pool_init()
47{
48    int i;
49    psr_t psr;
50    psr = ENTER_CRITICAL();
51    for(i=0; i<MEM_BUFFER_LEN; i++) {
52        list_add(&(gmem[i].list), &mem_pool);
53        //printf("add mem 0x%p\n", &(gmem[i].list));
54 }
55 EXIT_CRITICAL(psr);
56}