單片機(jī)上用malloc()是個(gè)坑，有隱患？

做單片機(jī)研發(fā)前幾年，一直沒用過動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的功能，但是如果想成為軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)師，這是繞不過的一道坎。

其實(shí)單片機(jī)很少使用c標(biāo)準(zhǔn)庫自帶的malloc()函數(shù)去動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，除非，你看老板不爽...

因?yàn)橛腥毕荩恼潞竺鏁?huì)提及。

一般是工程師借助現(xiàn)成的參考代碼，然后重新設(shè)計(jì)內(nèi)存管理代碼，改進(jìn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配算法。

不過代碼難度挺大，c語言功底不好的，看到代碼會(huì)失聲痛哭....

不信？我裝個(gè)逼給你看！

下圖，是以前自己借鑒(抄襲)，再吃透，后改進(jìn)的內(nèi)存管理代碼，測(cè)試已解決內(nèi)存碎片問題。

代碼沒多少，卻讓我充分感受到，編程語言只是工具，編程思維才是靈魂。

本來是計(jì)劃用在無際單片機(jī)特訓(xùn)營項(xiàng)目6的，但是感覺太復(fù)雜了，怕老鐵們學(xué)著學(xué)著來罵我，所以這代碼就失寵了。

新手，或者有些一直從事比較簡單產(chǎn)品的工程師，可能無法理解，malloc的應(yīng)用場(chǎng)景，到底在哪里？

我以無際單片機(jī)特訓(xùn)營項(xiàng)目3來舉例幾個(gè)使用場(chǎng)景，或許你就明白了。

1.malloc使用場(chǎng)景1：動(dòng)態(tài)任務(wù)創(chuàng)建

學(xué)過我們項(xiàng)目3的老鐵，不知道有沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題。

在用我們那個(gè)"小系統(tǒng)"創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候，不夠靈活，每次增加新的任務(wù)，要手動(dòng)在頭文件增加任務(wù)ID。

這樣做的目的，是為了給下面這個(gè)任務(wù)結(jié)構(gòu)體數(shù)組OS_Task，分配固定的內(nèi)存空間。

最后才是創(chuàng)建任務(wù)。

如果使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，就可以省略前面步驟，直接創(chuàng)建任務(wù)，在任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)里通過動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)，給任務(wù)動(dòng)態(tài)開辟一塊內(nèi)存，如果對(duì)RTOS有研究，應(yīng)該知道我在講什么..

2.malloc使用場(chǎng)景2：探測(cè)器列表

項(xiàng)目3是需要和不同的探測(cè)器(遙控器、門磁探測(cè)器、紅外探測(cè)器、煙霧探測(cè)器等等)組網(wǎng)使用的。

我們做了一個(gè)菜單，在OLED屏上顯示已經(jīng)組網(wǎng)的探測(cè)器列表。

每個(gè)主機(jī)，已經(jīng)組網(wǎng)的探測(cè)器數(shù)量都不一樣，有些主機(jī)最多支持組網(wǎng)255個(gè)探測(cè)器。

每個(gè)探測(cè)器都有探測(cè)器ID、組網(wǎng)標(biāo)志、序號(hào)、名稱等參數(shù)。

那是不是意味著，如果主機(jī)最大支持255個(gè)探測(cè)器，如果沒有動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，就要提前定義能夠存儲(chǔ)255個(gè)探測(cè)器參數(shù)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組？

事實(shí)上，我想到兩種方式。

第一種是先存到外部的flash里，用到了再讀出來，程序操作起來麻煩，而且效率慢，優(yōu)點(diǎn)是省RAM。

第二種是直接分配255個(gè)探測(cè)器的靜態(tài)存儲(chǔ)空間，程序操作爽，效率高，但費(fèi)RAM，還好特么用了STM32。

我這個(gè)探測(cè)器列表菜單，用的是第二種方式，因?yàn)槲抑鳈C(jī)對(duì)探測(cè)器數(shù)量的上限設(shè)置是20個(gè)，哈哈。

對(duì)于這種功能需求，王炸的解決方案，就是用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配了！用時(shí)分配，用完釋放！

但是，不建議直接用malloc()！??！

其實(shí)我第一次接觸內(nèi)存管理，是做藍(lán)牙產(chǎn)品，用TI協(xié)議棧的時(shí)候。

當(dāng)時(shí)有點(diǎn)奇怪的是，c語言標(biāo)準(zhǔn)庫有malloc()動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和free()內(nèi)存釋放函數(shù)，osal系統(tǒng)為什么要自己寫osal_mem_alloc()和osal_mem_free()？

直到后面自己做了一些復(fù)雜點(diǎn)的項(xiàng)目，自己也調(diào)過內(nèi)存管理代碼，才理解。

單片機(jī)上用malloc()，是個(gè)坑，有隱患。

我覺得內(nèi)存碎片，是萬惡之源。

malloc()函數(shù)本身只是動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，并沒有直接解決內(nèi)存碎片問題。

什么是內(nèi)存碎片？

剛開始，我也不理解，什么是內(nèi)存碎片，網(wǎng)上搜了很多相關(guān)內(nèi)容，越繞越暈。

我嘗試用通俗易懂的語言，長話短說，能不能理解，看基礎(chǔ)和悟性了。

內(nèi)存碎片分為兩種：

1.外部碎片

想象一下，有一個(gè)大型的圖書館，圖書館的書架上擺滿了各種各樣的書籍，這些書籍大小可能不一樣，書籍就像內(nèi)存中的內(nèi)存塊(已被動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存)，書架上的空位代表空閑內(nèi)存(未被分配的內(nèi)存或者被釋放的內(nèi)存)。

當(dāng)讀者借閱書籍后，書架上會(huì)留下一些空位。隨著時(shí)間的推移，這些空位可能變得非常分散，就像散落在書架上的小塊空間。

如果突然要存放一本很大很厚的書，到書架上時(shí)，可能很難找到足夠大的連續(xù)空位來放置這本書。

那如果往后要存放的書，都是很大很厚的呢？

是不是雖然空位很多，但就是放不進(jìn)去？那這塊空間是不是就浪費(fèi)掉了？

在內(nèi)存分配時(shí)也是同理，如果頻繁地用malloc()分配很多零散的內(nèi)存塊，每個(gè)內(nèi)存塊占用的字節(jié)數(shù)都不一樣。

當(dāng)這些內(nèi)存塊使用完，被free()釋放以后，這塊空閑內(nèi)存，比如是8個(gè)字節(jié)，那下次，再有動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存需求時(shí)，除非是8個(gè)字節(jié)或者以下才能使用這個(gè)內(nèi)存塊，如果是8個(gè)字節(jié)以上，這塊內(nèi)存塊就相當(dāng)于一直用不上，就浪費(fèi)了。

所以說，即使總的空閑空間足夠，但由于碎片化，也不好滿足大內(nèi)存塊的分配請(qǐng)求。

這就是，在內(nèi)存管理中，外部內(nèi)存碎片化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法為新的內(nèi)存請(qǐng)求，分配足夠的連續(xù)內(nèi)存空間，注意連續(xù)內(nèi)存空間很重要，如果不連續(xù)，處理器就要不斷從整個(gè)內(nèi)存池去尋找，這樣讀取效率就會(huì)變低，這是內(nèi)存碎片的影響。

2.內(nèi)部碎片

內(nèi)部內(nèi)部碎片就是分配了內(nèi)存空間，但未被使用的部分。

為此，我做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：

上圖程序里，我給p1和p2分配1個(gè)字節(jié)內(nèi)存，實(shí)際卻分配了8個(gè)字節(jié)的空間，在釋放前這7個(gè)字節(jié)都不能再被分配，相當(dāng)于7個(gè)字節(jié)空間就浪費(fèi)了。

以上兩種碎片的產(chǎn)生，會(huì)讓程序產(chǎn)生一種很尷尬的現(xiàn)象，就是明明有很多空閑內(nèi)存，但總是分配失敗，甚至導(dǎo)致程序死機(jī)，而且這種死機(jī)現(xiàn)象，通常是沒有規(guī)律的。

印象中，我以前解決碎片問題的方法，大概是，內(nèi)存釋放后，把該內(nèi)存塊后面所有已分配的內(nèi)存塊往前遷移。

其實(shí)內(nèi)存管理，就是開辟一個(gè)很大的數(shù)組，稱內(nèi)存池。

然后后面所有的功能，比如動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，內(nèi)存釋放，都是基于這個(gè)大數(shù)組去完成，會(huì)涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，涉及到算法。

所以，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，這個(gè)時(shí)候針對(duì)性去學(xué)是最合適的。

很多人項(xiàng)目都沒做過，就去學(xué)，沒什么鳥用，學(xué)完也不知道能干嘛。

說到這里，我相信你應(yīng)該沒有單片機(jī)上用malloc()的勇氣了吧？

小批量生產(chǎn)可能測(cè)不出來，大批量生產(chǎn)就會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象了，碰到了，就偷偷躲廁所里哭吧，這種問題能找死個(gè)人！

至于很多人說的，比如單片機(jī)不用malloc()，是因?yàn)閮?nèi)存資源有限，個(gè)人人為不是問題本質(zhì)，一般能用上動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的產(chǎn)品，單片機(jī)內(nèi)存資源都比較大。

本質(zhì)就是用malloc()容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，從而會(huì)引發(fā)一系列的問題，比如數(shù)據(jù)讀取效率問題、穩(wěn)定性問題等等...

PC上用malloc()估計(jì)也會(huì)存在內(nèi)存碎片的問題，只是電腦內(nèi)存動(dòng)不動(dòng)就上G，沒有嵌入式設(shè)備這么敏感，當(dāng)然PC可能還有別的方式去解決碎片化問題，這塊我沒做過，不做表態(tài)。

審核編輯：劉清