为什么单片机上的程序不建议使用malloc?
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。https://api.fanyedu.com/uploads/image/d9/ca1416b4efc41453cf56dfd4362589.jpghttps://api.fanyedu.com/uploads/image/38/6a17a0a67c2177ee2d145fb236c80b.jpg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。https://api.fanyedu.com/uploads/image/1c/020d7d0167c563e92f4d023406c1d0.jpg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。https://api.fanyedu.com/uploads/image/92/82be0ef100955f036a521cb8c5590c.jpg最后才是创建任务。https://api.fanyedu.com/uploads/image/cc/f700402402f7d4af0220acccdde42c.jpg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。https://api.fanyedu.com/uploads/image/8c/37e69f1660efb50fa33cca0266619f.jpg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。https://api.fanyedu.com/uploads/image/80/273949f72e5e411104a8248c3699ba.jpg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。https://api.fanyedu.com/uploads/image/5b/2f4dcede67eb5bc756c837e7f4b232.jpg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：https://api.fanyedu.com/uploads/image/b6/71b30f2d9a3b710481a66892aaddfd.jpg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。https://api.fanyedu.com/uploads/image/e5/d9c6b22c9e66be08bc1548f09e0548.jpg其实内存管理，就是开辟一个很大的数组，称内存池。https://api.fanyedu.com/uploads/image/32/c7a2594aaae14bb963d62f4e79483d.jpg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。主要还是单片机的内存限制了 使用静态分配、内存池或许是最佳方法 malloc 会在堆上动态分配内存，频繁分配和释放可能导致内存碎片。即使总内存足够，碎片化后可能无法分配连续的大块内存，最终引发程序崩溃。 动态内存分配涉及查找合适的内存块，这可能会引入额外的处理时间和延迟，这在实时系统中可能是不可接受的。 单片机通常不需要复杂的多任务调度或动态内存管理，静态分配（如全局数组、局部数组）即可满足需求。 malloc 和 free 的频繁使用会导致内存碎片化。内存碎片分为外部碎片和内部碎片 在实际开发中，如果遇到内存碎片化的问题，可以尝试使用内存池技术 malloc可能失败并返回NULL，这在资源受限的单片机环境中可能很难处理。单片机程序通常需要高度可靠性和确定性。 动态内存分配可能导致内存碎片，随着时间的推移，可用的连续内存空间可能会变得越来越少，这可能导致即使有足够的总内存，也无法分配大块连续内存的情况。 裸机程序中如果没有 free 回收内存，已分配的内存会永久占用，最终耗尽内存。 在程序编译时确定所有变量的内存大小，这可以确保内存的分配和释放是确定的，并且没有额外的性能开销。 在单片机程序中，如果忘记释放分配的内存，可能会导致内存泄漏，最终耗尽可用内存。 建议使用 内存池 或 对象池 替代 malloc 单片机的处理能力有限，malloc 和 free 的内存管理操作可能会消耗较多的处理时间，影响系统的实时性和性能。 使用局部变量，它们在函数调用时自动分配和释放，这通常比动态内存分配更高效。 静态内存分配 是首选方案，既能保证实时性，又能避免内存碎片和泄漏风险。 用静态分配、内存池等方案更有效 碎片问题可能导致可用内存不断减少，最终无法进行有效分配，造成系统稳定性问题。因此，嵌入式开发中通常避免使用malloc，而选择更简单且可预测的内存管理方法。 大多数单片机的内存资源非常有限，通常只有几十KB到几百KB的RAM可用。这些内存资源需要分配给硬件外设、堆栈、数据缓冲区等多个部分，因此留给程序动态分配的内存空间非常有限。
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