陷阱：中斷中分配內(nèi)存

現(xiàn)在的C++編程非常的抽象，這對(duì)程序員來(lái)說(shuō)非常好。當(dāng)然，這是在代碼運(yùn)行一切都正常的情況下。不幸的是，C++在嵌入式中引入了一個(gè)穩(wěn)定性問(wèn)題，許多程序員都還沒(méi)有意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題。本文解釋了C++編程時(shí)中斷內(nèi)存分配的問(wèn)題，并提出了解決方案。

這里談到的內(nèi)存分配在主程序和中斷服務(wù)例程中都被使用。在很多情況下，這個(gè)災(zāi)難性的問(wèn)題會(huì)影響到最終產(chǎn)品，使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定、崩潰或故障是隨機(jī)的，很難發(fā)現(xiàn)，但又沒(méi)有罕見(jiàn)到可以忽略。事實(shí)上，現(xiàn)在可能有成千上萬(wàn)的系統(tǒng)存在這個(gè)問(wèn)題。

背景 //

在早期，嵌入式設(shè)備的程序是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。很繁瑣，容易出錯(cuò)，而且非常依賴(lài)目標(biāo)CPU，一旦嵌入式系統(tǒng)的C編譯器可用，開(kāi)發(fā)人員就會(huì)切換到更高級(jí)別的語(yǔ)言。

高級(jí)語(yǔ)言編程的第一個(gè)廣泛選擇是C語(yǔ)言。在C語(yǔ)言中，程序員不必考慮機(jī)器級(jí)別，即針對(duì)目標(biāo)CPU的個(gè)別指令。這樣做的好處是開(kāi)發(fā)人員可以專(zhuān)注于要解決的實(shí)際算法或問(wèn)題。與匯編語(yǔ)言相比，C源代碼更容易閱讀、更緊湊，也更容易維護(hù)。

但是放棄控制是有代價(jià)的，因?yàn)槌绦騿T與機(jī)器和目標(biāo)系統(tǒng)中正在發(fā)生的事情之間的距離自然會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)。當(dāng)然，代碼容易編寫(xiě)，但是對(duì)于編譯器如何將源代碼轉(zhuǎn)換為要執(zhí)行的指令的控制要少得多。

從C遷移到C++又向前邁進(jìn)了一步。抽象級(jí)別更高，程序源代碼變得更加緊湊。與此同時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)中究竟發(fā)生了什么變得更加不清楚。在許多情況下，被調(diào)用的函數(shù)對(duì)程序員來(lái)說(shuō)不再可見(jiàn)。

內(nèi)存碎片 //

在C程序中，對(duì)于應(yīng)用程序的編程來(lái)說(shuō)，是否使用堆，在哪里以及如何使用是很清晰的。這基本上是一個(gè)內(nèi)存塊的分配和釋放，如alloc()和free()。

堆存在一些問(wèn)題，這就是許多應(yīng)用程序避免使用它們的原因。最大的問(wèn)題之一是碎片化。只有在內(nèi)存不多的情況下，這才會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題，所以在開(kāi)發(fā)PC應(yīng)用程序時(shí)，這也不是一個(gè)問(wèn)題。但是在嵌入式系統(tǒng)中，碎片可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存耗盡的情況，不是因?yàn)闆](méi)有可用的內(nèi)存，而是由于碎片沒(méi)有足夠大小的可用塊。雖然這可能是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，但大多數(shù)程序員都意識(shí)到了這一點(diǎn)，這不是本文的重點(diǎn)。

可重入代碼 //

堆管理例程不是可重入的，因?yàn)樗鼈児芾砣謨?nèi)存池。這意味著需要對(duì)堆管理例程進(jìn)行序列化，以確保對(duì)一個(gè)例程的調(diào)用不會(huì)被對(duì)同一個(gè)或另一個(gè)堆管理例程的調(diào)用中斷(在臨界段)。對(duì)于多任務(wù)環(huán)境(RTOS)中的線程，可以使用信號(hào)量或互斥量來(lái)保證這一點(diǎn)。

中斷 //

在編寫(xiě)桌面C++應(yīng)用程序時(shí)，這存在問(wèn)題，因?yàn)閼?yīng)用程序不處理中斷。這些由底層操作系統(tǒng)處理。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員沒(méi)有這樣的待遇，中斷服務(wù)例程(ISR)是應(yīng)用程序的一部分。這也是讓事情變得棘手和出錯(cuò)的地方。

ISR中斷正常的程序執(zhí)行。如果它中斷堆操作，然后使用堆操作本身，它可能會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，例如將同一塊內(nèi)存兩次分配給請(qǐng)求它的ISR和請(qǐng)求它的正常程序。這種類(lèi)型的沖突會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的行為，包括系統(tǒng)不穩(wěn)定和崩潰，因此可能是災(zāi)難性的行為。

這個(gè)問(wèn)題很少在測(cè)試中出現(xiàn)。然后，一個(gè)bug就會(huì)進(jìn)入到最終產(chǎn)品中，使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致隨機(jī)崩潰，幾乎不可能重現(xiàn)。即使問(wèn)題已經(jīng)很明顯了，要找出原因就像大海撈針。

解決方法 //

麻煩一點(diǎn)的方法是確保應(yīng)用程序不會(huì)從ISR中調(diào)用堆操作函數(shù)。這可以通過(guò)只在ISR中使用C來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)確保沒(méi)有調(diào)用alloc()或free()函數(shù)。

不幸的是，這并不容易，特別是ISR很可能會(huì)調(diào)用其他函數(shù)，這些函數(shù)現(xiàn)在也需要保證是沒(méi)有堆操作的。另一個(gè)問(wèn)題是，即使您的代碼能夠做到這一點(diǎn)，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)成員可能會(huì)引入C++，從而產(chǎn)生問(wèn)題。

所以這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。但如果你決定走這條路，有一個(gè)建議：

通過(guò)在“Lock”操作中使用一段代碼查看CPU的中斷狀態(tài)，應(yīng)該確保在調(diào)試版本中，你的內(nèi)存管理不是從中斷上下文(ISR)中調(diào)用的。這樣就不能避免關(guān)鍵問(wèn)題，而是可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，而不會(huì)進(jìn)入最終產(chǎn)品。

更簡(jiǎn)單的一種辦法是確保內(nèi)存分配函數(shù)是中斷安全的簡(jiǎn)單方法是在堆操作的關(guān)鍵部分禁用中斷，這需要工具鏈的配合。在Embedded Studio中，這是默認(rèn)的選項(xiàng)。換句話說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題在使用Embedded Studio時(shí)不存在。Embedded Studio還提供了另一個(gè)鎖定選項(xiàng)，稱(chēng)為“User”，由用戶(hù)負(fù)責(zé)控制堆鎖定，以便針對(duì)多核cpu或高度時(shí)間關(guān)鍵的應(yīng)用程序調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅