做单片机研发前几年,一直没用过动态内存分配的功能,但是如果想成为软件架构设计师,这是绕不过的一道坎。
其实单片机很少使用c标准库自带的malloc()函数去动态分配内存,除非,你看老板不爽...
因为有缺陷,文章后面会提及。
一般是工程师借助现成的参考代码,然后重新设计内存管理代码,改进动态内存分配算法。
不过代码难度挺大,c语言功底不好的,看到代码会失声痛哭....
不信?我装个逼给你看!
下图,是以前自己借鉴(抄袭),再吃透,后改进的内存管理代码,测试已解决内存碎片问题。
代码没多少,却让我充分感受到,编程语言只是工具,编程思维才是灵魂。
本来是计划用在无际单片机特训营项目6的,但是感觉太复杂了,怕老铁们学着学着来骂我,所以这代码就失宠了。
新手,或者有些一直从事比较简单产品的工程师,可能无法理解,malloc的应用场景,到底在哪里?
我以无际单片机特训营项目3来举例几个使用场景,或许你就明白了。
1.malloc使用场景1:动态任务创建
学过我们项目3的老铁,不知道有没有发现一个问题。
在用我们那个"小系统"创建任务的时候,不够灵活,每次增加新的任务,要手动在头文件增加任务ID。
这样做的目的,是为了给下面这个任务结构体数组OS_Task,分配固定的内存空间。
最后才是创建任务。
如果使用动态内存分配,就可以省略前面步骤,直接创建任务,在任务创建函数里通过动态内存分配函数,给任务动态开辟一块内存,如果对RTOS有研究,应该知道我在讲什么..
2.malloc使用场景2:探测器列表
项目3是需要和不同的探测器(遥控器、门磁探测器、红外探测器、烟雾探测器等等)组网使用的。
我们做了一个菜单,在OLED屏上显示已经组网的探测器列表。
每个主机,已经组网的探测器数量都不一样,有些主机最多支持组网255个探测器。
每个探测器都有探测器ID、组网标志、序号、名称等参数。
那是不是意味着,如果主机最大支持255个探测器,如果没有动态内存分配,就要提前定义能够存储255个探测器参数的结构体数组?
事实上,我想到两种方式。
第一种是先存到外部的flash里,用到了再读出来,程序操作起来麻烦,而且效率慢,优点是省RAM。
第二种是直接分配255个探测器的静态存储空间,程序操作爽,效率高,但费RAM,还好特么用了STM32。
我这个探测器列表菜单,用的是第二种方式,因为我主机对探测器数量的上限设置是20个,哈哈。
对于这种功能需求,王炸的解决方案,就是用动态内存分配了!用时分配,用完释放!
但是,不建议直接用malloc()!!!
其实我第一次接触内存管理,是做蓝牙产品,用TI协议栈的时候。
当时有点奇怪的是,c语言标准库有malloc()动态内存分配和free()内存释放函数,osal系统为什么要自己写osal_mem_alloc()和osal_mem_free()?
直到后面自己做了一些复杂点的项目,自己也调过内存管理代码,才理解。
单片机上用malloc(),是个坑,有隐患。
我觉得内存碎片,是万恶之源。
malloc()函数本身只是动态分配内存,并没有直接解决内存碎片问题。
什么是内存碎片?
刚开始,我也不理解,什么是内存碎片,网上搜了很多相关内容,越绕越晕。
我尝试用通俗易懂的语言,长话短说,能不能理解,看基础和悟性了。
内存碎片分为两种:
1.外部碎片
想象一下,有一个大型的图书馆,图书馆的书架上摆满了各种各样的书籍,这些书籍大小可能不一样,书籍就像内存中的内存块(已被动态分配的内存),书架上的空位代表空闲内存(未被分配的内存或者被释放的内存)。
当读者借阅书籍后,书架上会留下一些空位。随着时间的推移,这些空位可能变得非常分散,就像散落在书架上的小块空间。
如果突然要存放一本很大很厚的书,到书架上时,可能很难找到足够大的连续空位来放置这本书。
那如果往后要存放的书,都是很大很厚的呢?
是不是虽然空位很多,但就是放不进去?那这块空间是不是就浪费掉了?
在内存分配时也是同理,如果频繁地用malloc()分配很多零散的内存块,每个内存块占用的字节数都不一样。
当这些内存块使用完,被free()释放以后,这块空闲内存,比如是8个字节,那下次,再有动态分配内存需求时,除非是8个字节或者以下才能使用这个内存块,如果是8个字节以上,这块内存块就相当于一直用不上,就浪费了。
所以说,即使总的空闲空间足够,但由于碎片化,也不好满足大内存块的分配请求。
这就是,在内存管理中,外部内存碎片化会导致系统无法为新的内存请求,分配足够的连续内存空间,注意连续内存空间很重要,如果不连续,处理器就要不断从整个内存池去寻找,这样读取效率就会变低,这是内存碎片的影响。
2.内部碎片
内部内部碎片就是分配了内存空间,但未被使用的部分。
为此,我做了一个实验:
上图程序里,我给p1和p2分配1个字节内存,实际却分配了8个字节的空间,在释放前这7个字节都不能再被分配,相当于7个字节空间就浪费了。
以上两种碎片的产生,会让程序产生一种很尴尬的现象,就是明明有很多空闲内存,但总是分配失败,甚至导致程序死机,而且这种死机现象,通常是没有规律的。
印象中,我以前解决碎片问题的方法,大概是,内存释放后,把该内存块后面所有已分配的内存块往前迁移。
其实内存管理,就是开辟一个很大的数组,称内存池。
然后后面所有的功能,比如动态内存分配,内存释放,都是基于这个大数组去完成,会涉及到数据结构,涉及到算法。
所以,数据结构和算法,这个时候针对性去学是最合适的。
很多人项目都没做过,就去学,没什么鸟用,学完也不知道能干嘛。
说到这里,我相信你应该没有单片机上用malloc()的勇气了吧?
小批量生产可能测不出来,大批量生产就会陆续出现死机现象了,碰到了,就偷偷躲厕所里哭吧,这种问题能找死个人!
至于很多人说的,比如单片机不用malloc(),是因为内存资源有限,个人人为不是问题本质,一般能用上动态内存分配的产品,单片机内存资源都比较大。
本质就是用malloc()容易产生内存碎片,从而会引发一系列的问题,比如数据读取效率问题、稳定性问题等等...
PC上用malloc()估计也会存在内存碎片的问题,只是电脑内存动不动就上G,没有嵌入式设备这么敏感,当然PC可能还有别的方式去解决碎片化问题,这块我没做过,不做表态。
最后彩蛋时间,最近有粉丝问我怎么提升单片机编程思维和水平。
我做了开发10几年,累计做过几十个项目,我针对这些项目共性功能,比如任务创建、管理、队列算法、LED特效、按键扫描等,写了一个标准程序框架。
这个架构,我在2019年也录了教程,我做新项目时,直接套用这个架构去写,效率直接起飞。
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《单片机入门到高级开挂学习路径(附教程+工具)》文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-837201.html
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