浅谈 malloc 函数在单片机上的应用

聊聊 malloc函数 在单片机程序设计中怎么使用

前言

大家知道，我写过 RT-Thread 专栏，当初写到了内存管理的时候，想了想该怎么来说明这个内存管理，实际上在平时使用STM32做一般产品的时候基本不会用到 malloc 函数，即便是使用了操作系统，在业务逻辑不复杂的情况下，还是用不上malloc。

但是每个嵌入式 RTOS 都会有自己的内存管理方式，本文就来聊聊我对 malloc 函数在单片机程序设计中的一些看法。

本文并不是要说明在单片机中怎么使用 malloc函数，而是根据博主自己的理解，从函数使用的根本上来分析需不需要使用，何时何地使用。

本文的探讨是单片机领域，以 Cortex-M 系列内核为例。

一、malloc 函数简介

malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配。

函数原型 void *malloc(unsigned int size)，专业解释还是套用百度百科：

对于malloc函数，应该所有嵌入式工程师都知道，即便没用过也都听过，通过上面简单的说明，也都能够知道是干什么用的。

注意上面红色框框部分，malloc开辟的是连续的空间，返回的是一个地址，当内存不使用，需要使用free()函数释放内存。

二、malloc 之于单片机

在我们的单片机程序设计中，大都使用的C语言，当然可以使用 malloc 函数，但是有很多人并不能够真正的理解它。

要理解单片机系统中的 malloc函数 ，首先必须了解动态分配的内存是在什么地方呢！

2.1 malloc 函数申请的内存在哪里？

也许大部分人知道在堆中！是的，在堆中没错。

那么接着问题，堆在单片机的什么地方呢？具体地址是多少呢？

要了解这个问题，就得了解内核的数据存储方式，我们以常用的STM32为例，我也写过文章，带大家学习STM32的内存管理（也马上回在发烧友发表，带给大家）。

这里我可以通过截图给大家简单说明，了解下单片机的堆栈，在文中有如下说明：

如果通过上面推荐的博文理解了内存分配，那么我们就可以得到如下结论，可以知道 malloc 申请空间的准确地址了：

2.2 用与不用malloc的区别

知道了malloc申请空间在单片机中的地址，我们再来看一下用于不用的区别。

一般在我们的设计中，函数中可能会初始化一些临时变量，如果是一个数组，那么他也会申请一段内存空间，我们通过一张图来看看使用临时变量与malloc 的区别：

解释到这里，相信大家对在单片机上使用 malloc 有了一个更深的认识。他所存放的空间与我们经常局部变量的空间是不同，而且我们也知道了在什么位置。

至于单片机用还是不用 malloc函数？ 别急，我们还得往下面分析分析。

三、malloc可能遇到的问题

还是官方的百度百科里面介绍malloc的工作机制时候，有下面的说明：

注意图中画红色的部分，简单解释就是，使用 malloc 函数多了以后，会产生很多的内存碎片，白白浪费内存。

3.1 内存碎片

什么是内存碎片是什么？

这种专业的术语还得靠万能的百度（虽然百度百科的解释针对的是大范围的，但是对于单片机来说其实是一样的）：

系统中所有的不可用的空闲内存就是内存碎片。

那么 内存碎片是什如何产生的？

在上图中其实有碎片是如何产生的说明，内部碎片是因为处理器的体系结构，需要字节对齐，比如我们在单片机中，常有4字节对齐，8字节对齐，不要说这个也不知道，我随便打开一个 STM32L051 的启动文件说明（GCC环境下的链接文件）：

按照这个启动文件，我们也应该能知道，堆栈内存空间是需要8字节对齐的，那么我们在STM32上使用 malloc 分配的内存空间是8字节对齐的，即便你用不上8个字节，系统也会给你对齐补上。

说到这个，正好了可以说明我们内存碎片产生的第一种情况，内部碎片的产生：

那么外部碎片的产生，我们也可以用图形来表示：

随着内存不断被分配和释放，整个内存区域会产生越来越多的碎片，因为在使用过程中，申请了一些内存，其中一些释放了，导致内存空间中存在一些小的内存块，它们地址不连续，不能够作为一整块的大内存分配出去，系统中还有足够的空闲内存，但因为它们地址并非连续，不能组成一块连续的完整内存块，会使得程序不能申请到大的内存。

在我们使用的单片机上，碎片产生问题尤为明显，平时接触不到，那是因为一般学习测试不会遇到复杂的项目。

3.2 内存管理

使用 malloc 会产生碎片，那么有什么办法可以解决这个问题？

当然是有的，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，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。

对于单片机来说，如果你有能力是可以自己设计内存管理的方式。

如果使用嵌入式操作系统比如 FreeRTOS、RT-Thread 的话，他们内核是自带内存管理的，本文并不会讨论他们具体是如何内存管理的，但是有必要了解一下操作系统的思路。

以 FreeRTOS 为例子说明：

在 FreeRTOS 中有一个宏定义configTOTAL_HEAP_SIZE：

操作系统首先向系统申请了一块大的内存，这块内存内存由操作系统自己的内存管理方式，对于FreeRTOS而言有5种内存管理方式：

我们在设计的时候可以自己选择使用哪一种，比如：

对于申请的这块内存由操作系统自动管理，FreeRTOS操作系统创建的任务，任务栈使用的就是这一块内存，同时使用pvPortMalloc函数申请动态内存，也会从这一块内存中分配，因为他有一套完善的内存管理方式，所以相对我们直接使用 malloc来说，他能够很好的处理系统内存碎片的问题。

既然说到这里，额外的一个问题，就是 FreeRTOS configTOTAL_HEAP_SIZE定义额这块内存处于单片机内存那个部分呢？

这就可以看我的又一篇博文：嵌入式RTOS的 任务栈 和 系统栈

FreeRTOS申请的内存是属于.bss段的，位置如下图所示：

对于单片机使用的嵌入式操作系统来说，他们有自己的内存管理方式，也会提供对于的动态内存申请结构，这时候我们使用操作系统提供的 malloc 接口函数，可以很好的避免内存碎片的产生。

注意！！单片机用了有内存管理的操作系统，系统会提供对于的 API，比如 FreeRTOS 的 pvPortMalloc 函数，RT-Thread 的 rt_malloc 函数。如果使用 C 库的 malloc，还是会从系统堆里面申请内存！！

对于高端的单片机，有 MMU(内存管理单元) 模块，比如 Cortex-A 系列，有了MMU就能跑linux，那么内存管理也是必备。

四、结语（用还是不用？）

本文算是详细分析了一下 malloc 函数在单片机上的使用效果，我们知道了 malloc 函数使用申请了内存空间在哪里，我们也知道了内存碎片是如何产生的。

回到我们最初的问题，单片机领域，用还是不用 malloc 函数？

看完文章这个问题估计都不需要我直接回答了：

从项目复杂程度来说：

如果跑裸机 做些小项目，如果没有自己的内存管理方式不是必要都不建议使用，同时为了节约内存，可以把heap设置成很小（留一点给可能调用的C库函数会用到）。

如果跑操作系统，操作系统有完善的内存管理，可以痛快的使用操作系统的malloc接口函数。但是如果做些小项目，也是可以不用的。

如果跑裸机 做些大项目？？？？ 我个人不太建议……

从使用的芯片RAM大小来说：

如果你选用的芯片内存比较小，10多K甚至几K，还是用静态内存局部变量把，因为能够使用小内存的项目也不会太复杂，比如物联网传感器单品项目。

如果选用的芯片内存比较大上了 MB, 那么还是可以尝试使用 malloc 动态内存分配的，但是前提还是得有内存管理。

但是最后还是得说一下，随着现在的单片机发展，内存越来越大，虽然单片机小项目不建议使用 malloc 函数，但是我们上了操作系统以后，要学会去使用动态内存分配，因为当以后做的项目越来越复杂，线程越来越多，我们定义的局部变量越来越多，即便我们可以继续增大系统 栈 的大小，但是这终究不是一种合理的解决方式。

我们应该要学会合理的使用动态内存申请，为了以后向更高的地方前进 ~

没有必要钻牛角尖，如果项目简单但就是想用。比如我就一个函数使用malloc 申请动态内存，没有内存管理，我就是用了怎么地？ 这种情况用不用都一样，看自己高兴，没有必要纠结！

本文就到这里，谢谢大家！

审核编辑 黄宇