聊聊 malloc函数 在单片机程序设计中怎么使用

目录

前言

最近更新RT-专栏，说到内存管理的时候，我就思考如何解释这个内存管理。 其实用STM32做一般产品时，功能基本用不到。 即使使用了操作系统，在业务逻辑上如果不复杂的话，还是没有什么用处。

然而，每个嵌入式RTOS都会有自己的内存管理方法。 本文将谈谈我对单片机编程中函数的一些看法。

本文并不是讲解单片机中的函数如何使用，而是根据博主自己的理解来分析是否需要使用、何时何地使用。

本文讨论微控制器领域，以-M系列内核为例。

1. 功能介绍

中文全称是动态内存分配。

函数原型void *(int size)，专业解释仍然适用百度百科：

所有嵌入式工程师都应该了解功能。 即使他们从未使用过它们，他们也听说过它们。 通过上面的简单解释，他们也能知道它们是用来做什么的。

注意上面红框中，开辟了一个连续的空间，并返回了一个地址。 当内存不使用时，需要使用free()函数释放内存。

2. 对于微控制器

在我们的单片机编程中，我们大部分使用的是C语言。 当然，我们可以使用函数，但是很多人并没有真正理解它。

要了解单片机系统中的功能，首先要了解动态分配的内存在哪里！

2.1 函数请求的内存在哪里？

可能大多数人都知道在堆里吧！ 是的，就在堆里。

那么下一个问题是，它堆叠在微控制器的哪里？ 具体地址是什么？

要理解这个问题，就得了解内核的数据存储方式。 我们以常用的STM32为例。 我在下面的博文中详细介绍了STM32的内存管理（如果你不明白，建议你先阅读这篇博文）：

STM32内存管理相关（内存架构、内存管理、map文件分析）

首先我们简单了解一下单片机的堆栈。 文章中有如下解释：

如果我们通过上面推荐的博文了解了内存分配，那么我们可以得出以下结论，知道申请空间的具体地址：

2.2 使用与不使用的区别

现在我们知道了单片机中应用程序空间的地址，我们来看看应用程序之间的差异。

一般在我们的设计中，可能会在函数中初始化一些临时变量。 如果是数组，那么也会申请一块内存空间。 我们用一张图来看看使用临时变量和使用临时变量的区别：

讲解到这里，相信大家对于在单片机上的使用有了更深入的了解。 它存储的空间和我们常规的局部变量的空间不同，我们也知道它在哪里。

至于单片机是否应该使用函数？ 别着急，下面我们还是要分析一下。

3、可能遇到的问题

当工作机制还在百度官方百科介绍时，有如下解释：

注意图中红色部分。 简单的解释就是，使用过多的函数后，会产生大量的内存碎片，造成内存的浪费。

3.1 内存碎片

什么是内存碎片？

这种专业术语就要靠万能的百度了（虽然百度百科上的解释是针对广泛的，但其实对于单片机来说也是一样的）：

系统中所有不可用的空闲内存都是内存碎片。

那么内存碎片是如何产生的呢？

上图中，其实已经解释了碎片是如何产生的。 内部碎片是由于处理器的架构造成的，需要字节对齐。 例如，在微控制器中，我们经常有4字节对齐和8字节对齐。 别提这个了我不知道，我只是打开了一个启动文件说明（GCC环境下的链接文件）：

根据这个启动文件我们也应该知道堆栈内存空间需要8字节对齐，所以我们在STM32上分配的内存空间是8字节对齐的。 即使你不使用8字节，系统也会给你添加。

说到这里，正好解释一下我们内存碎片的第一种情况，内部碎片的产生：

那么我们还可以用图形来表示外部片段的生成：

随着内存的不断分配和释放，整个内存区域会产生越来越多的碎片，因为在使用过程中，有的内存被申请，有的内存被释放，导致内存空间中出现一些小内存块。 它们的地址不连续，不能作为一整块大内存进行分配。 系统中仍然有足够的空闲内存，但由于它们的地址不连续，无法形成连续的完整内存块，这会妨碍程序申请大内存。

在我们使用的单片机上，碎片问题尤为明显，平时无法访问。 那是因为一般的学习测试不会遇到复杂的项目。

3.2 内存管理

会造成碎片，那么有没有办法解决这个问题呢？

当然有，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、快速地分配，并在适当的时候释放和回收内存资源。

对于单片机来说，如果有能力，可以设计自己的内存管理方法。

如果您使用RT-等嵌入式操作系统，它们的内核有自己的内存管理。 本文不会讨论它们具体是如何管理内存的，但是有必要了解一下操作系统的思维。

举个例子：

中有一个宏定义E：

操作系统首先向系统申请一大块内存。 该内存是由操作系统自己的内存管理方法来管理的。 操作系统的内存管理方式有5种：

我们在设计时可以选择使用哪一种，例如：

所申请的内存由操作系统自动管理。 对于操作系统创建的任务，任务堆栈使用该内存。 同时，如果用函数申请动态内存，也会从这块内存中分配，因为它有一套完整的内存。 管理方法，所以相比我们直接使用，它可以很好的处理系统内存碎片的问题。

既然我们说了这些，那么附加一个问题是，E定义的存储器的哪一部分位于单片机的存储器中？

这里你可以阅读我的另一篇博文：嵌入式RTOS的任务栈和系统栈

所请求的内存属于.bss段，其位置如下图所示：

对于微控制器所使用的嵌入式操作系统来说，它们有自己的内存管理方法，也会提供相应的动态内存申请结构。 这时我们就利用操作系统提供的接口函数来避免内存碎片的产生。

注意！ ！ 微控制器采用带内存管理的操作系统，系统会提供相应的API，如函数、RT-函数等。

如果使用C库，仍然会从系统堆中申请内存！ ！

对于高端微控制器，有MMU（内存管理单元）模块，例如-A系列。 有了MMU，就可以运行Linux了，所以内存管理也是必须的。

4. 结论（用还是不用？）

本文详细分析了在微控制器上使用函数的效果。 我们知道函数申请的内存空间在哪里，也知道内存碎片是如何产生的。

回到我们最初的问题，在单片机领域，我们到底该用函数还是不用函数呢？

读完这篇文章，我可能不需要直接回答这个问题：

从项目复杂程度来看：

如果你是跑裸机做小项目，如果没有自己的内存管理方法，非必要的话不建议使用。 同时，为了节省内存，可以将堆设置得很小（留一些给可能调用的C库函数）。

如果你运行一个操作系统，操作系统有完整的内存管理，你就可以愉快地使用操作系统的接口函数了。

但如果做一些小项目，就不需要用它了。

如果您运行裸机来执行大型项目怎么办？ ？ ？ ？ 我个人不推荐...

就所使用的芯片 RAM 大小而言：

如果你选择的芯片内存比较小，10K以上甚至几K，最好用抖音（），因为可以使用小内存的项目都不会太复杂，比如物联网传感器单一产品项目。

如果所选芯片内存大于MB，仍然可以尝试使用动态内存分配，但前提是必须有内存管理。

但最后不得不说，随着当今单片机的发展，内存越来越大。 虽然对于小型单片机项目不建议使用函数，但是我们安装完操作系统之后，一定要学会使用动态内存分配，因为以后做的项目越来越复杂，也越来越多。线程，并且我们正在定义越来越多的局部变量。 即使我们可以继续增加系统堆栈的大小，但这毕竟不是一个合理的解决方案。

我们要学会合理利用动态内存的应用，才能将来走向更高的地方~

如果项目很简单，只是想用一下，就没有必要深究。 比如我为一个函数申请动态内存，没有内存管理，怎么办？ 在这种情况下，使用与否并不重要。 只要确保你快乐就可以了，没有必要担心！

谢谢！