單片機上用malloc()是個坑，有隱患？

做單片機研發(fā)前幾年，一直沒用過動態(tài)內(nèi)存分配的功能，但是如果想成為軟件架構(gòu)設計師，這是繞不過的一道坎。

其實單片機很少使用c標準庫自帶的malloc()函數(shù)去動態(tài)分配內(nèi)存，除非，你看老板不爽...

因為有缺陷，文章后面會提及。

一般是工程師借助現(xiàn)成的參考代碼，然后重新設計內(nèi)存管理代碼，改進動態(tài)內(nèi)存分配算法。

不過代碼難度挺大，c語言功底不好的，看到代碼會失聲痛哭....

不信？我裝個逼給你看！

下圖，是以前自己借鑒(抄襲)，再吃透，后改進的內(nèi)存管理代碼，測試已解決內(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。

本來是計劃用在無際單片機特訓營項目6的，但是感覺太復雜了，怕老鐵們學著學著來罵我，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的應用場景，到底在哪里？

我以無際單片機特訓營項目3來舉例幾個使用場景，或許你就明白了。

1.malloc使用場景1：動態(tài)任務創(chuàng)建

學過我們項目3的老鐵，不知道有沒有發(fā)現(xiàn)一個問題。

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

這樣做的目的，是為了給下面這個任務結(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。

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

2.malloc使用場景2：探測器列表

項目3是需要和不同的探測器(遙控器、門磁探測器、紅外探測器、煙霧探測器等等)組網(wǎng)使用的。

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

每個主機，已經(jīng)組網(wǎng)的探測器數(shù)量都不一樣，有些主機最多支持組網(wǎng)255個探測器。

每個探測器都有探測器ID、組網(wǎng)標志、序號、名稱等參數(shù)。

那是不是意味著，如果主機最大支持255個探測器，如果沒有動態(tài)內(nèi)存分配，就要提前定義能夠存儲255個探測器參數(shù)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組？

事實上，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)點是省RAM。

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

我這個探測器列表菜單，用的是第二種方式，因為我主機對探測器數(shù)量的上限設置是20個，哈哈。

對于這種功能需求，王炸的解決方案，就是用動態(tài)內(nèi)存分配了！用時分配，用完釋放！

但是，不建議直接用malloc()?。?！

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

當時有點奇怪的是，c語言標準庫有malloc()動態(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雜點的項目，自己也調(diào)過內(nèi)存管理代碼，才理解。

單片機上用malloc()，是個坑，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)。

當讀者借閱書籍后，書架上會留下一些空位。隨著時間的推移，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，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，但就是放不進去？那這塊空間是不是就浪費掉了？

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

當這些內(nèi)存塊使用完，被free()釋放以后，這塊空閑內(nèi)存，比如是8個字節(jié)，那下次，再有動態(tài)分配內(nèi)存需求時，除非是8個字節(jié)或者以下才能使用這個內(nèi)存塊，如果是8個字節(jié)以上，這塊內(nèi)存塊就相當于一直用不上，就浪費了。

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)存塊的分配請求。

這就是，在內(nèi)存管理中，外部內(nèi)存碎片化會導致系統(tǒng)無法為新的內(nèi)存請求，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內(nèi)存池去尋找，這樣讀取效率就會變低，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，我做了一個實驗：

上圖程序里，我給p1和p2分配1個字節(jié)內(nèi)存，實際卻分配了8個字節(jié)的空間，在釋放前這7個字節(jié)都不能再被分配，相當于7個字節(jié)空間就浪費了。

以上兩種碎片的產(chǎn)生，會讓程序產(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，甚至導致程序死機，而且這種死機現(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。

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

然后后面所有的功能，比如動態(tài)內(nèi)存分配，內(nèi)存釋放，都是基于這個大數(shù)組去完成，會涉及到數(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，這個時候針對性去學是最合適的。

很多人項目都沒做過，就去學，沒什么鳥用，學完也不知道能干嘛。

說到這里，我相信你應該沒有單片機上用malloc()的勇氣了吧？

小批量生產(chǎn)可能測不出來，大批量生產(chǎn)就會陸續(xù)出現(xiàn)死機現(xiàn)象了，碰到了，就偷偷躲廁所里哭吧，這種問題能找死個人！

至于很多人說的，比如單片機不用malloc()，是因為內(nèi)存資源有限，個人人為不是問題本質(zhì)，一般能用上動態(tài)內(nèi)存分配的產(chǎn)品，單片機內(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()估計也會存在內(nèi)存碎片的問題，只是電腦內(nèi)存動不動就上G，沒有嵌入式設備這么敏感，當然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