內存！ 內存！ 內存！ 嵌入式裸機編程最重要的事

技術小白

   在嵌入式裸機編程中，作為一名初級的CODER。經常要與CPU、內存等打交道。CPU作為系統的動力源，其重要程度不言而喻。但是，在裸機編程中，對內存的管理也不容忽視。如果稍微不注意，輕則，可能造成內存泄漏，重則造成內存訪問異常。導致系統死機。

嵌入式產品，對穩定性要求及其嚴格。動不動就死機，那可就麻煩大了。以下，是我本人對嵌入式系統裸機編程的內存管理的一些簡介。

1. 萬萬不可使用系統自帶的malloc和free。

malloc和free在PC編程中是很好用的一種內存分配手段。但是，其在嵌入式中，就未必好用了。由于嵌入式裸機編程中，無MMU，即內存管理單元。無法實現對內存進行動態映射（不明白什么叫動態映射的同學，可以參考網上的資料）。也就是說，實際上，malloc和free并不能實現動態的內存的管理。這需要在啟動階段專門給其分配一段空閑的內存區域作為malloc的內存區。如STM32中的啟動文件startup_stm32f10x_md.s中見以下信息：
[plain] view plain copy
Heap_Size       EQU     0x00000800  AREA    HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3  
__heap_base  
Heap_Mem        SPACE   Heap_Size  
__heap_limit  


其中，Heap_Size即定義一個宏定義。數值為0x00000800。Heap_Mem則為申請一塊連續的內存，大小為 Heap_Size。簡化為C語言版本如下：
#define Heap_Size 0x00000800
unsigned char Heap_Mem[Heap_Size] = {0};

在這里申請的這塊內存，在接下來的代碼中，被注冊進系統中給malloc和free函數所使用：
__user_initial_stackheap
LDR     R0, =  Heap_Mem  ;  返回系統中堆內存起始地址
LDR     R1, =(Stack_Mem + Stack_Size)
LDR     R2, = (Heap_Mem +  Heap_Size); 返回系統中堆內存的結束地址
LDR     R3, = Stack_Mem
BX      LR


就如上面分析的那樣，其實，在裸機編程的時候，對堆內存的管理。并非是智能化的，并非你想申請多少就多少。而是使用一塊固定的內存用作堆內存的分配。這在設計的時候，往往不是最佳的方案。這塊內存，如果被多次按照不同的大小進行申請，就會造成內存碎片。最終導致無法申請到足夠的內存。導致系統運行出錯。這在原本內存就已經很少的嵌入式系統中，更是不能接受的。所以，建議是把那個Heap_Size設置成 0 吧。放棄其使用吧。

而更為致命的是，有些malloc，free函數，由于工程人員的偷懶。實現甚至可能如下：
unsigned char mem_buffer[512];
unsigned char *mem_offset = & mem_buffer;
void *malloc(int size)
{
unsigned char *tmp = mem_offset;
mem_offset += size;
return (void *)tmp;
}

void free(void *mem)
{
mem_offset = mem;
}

2. 更好的替代方案：內存池。

可能有些同學，覺得：內存池，這是什么東西？

內存池，簡潔地來說，就是預先分配一塊固定大小的內存。以后，要申請固定大小的內存的時候，即可從該內存池中申請。用完了，自然要放回去。注意，內存池，每次申請都只能申請固定大小的內存。這樣子做，有很多好處：
   （1）每次動態內存申請的大小都是固定的，可以有效防止內存碎片化。（至于為什么，可以想想，每次申請的都是固定的大小，回收也是固定的大小）
   （2）效率高，不需要復雜的內存分配算法來實現。申請，釋放的時間復雜度，可以做到O(1)。
   （3）實現簡單，易用。
   （4）內存的申請，釋放都在可控的范圍之內。不會出現以后運行著，運行著，就再也申請不到內存的情況。

內存池，并非什么很厲害的技術。實現起來，其實可以做到很簡單。只需要一個鏈表即可。在初始化的時候，把全局變量申請來的內存，一個個放入該鏈表中。在申請的時候，只需要取出頭部并返回即可。在釋放的時候，只需要把該內存插入鏈表。以下是一種簡單的例子（使用移植來的linux內核鏈表，對該鏈表的移植，以后有時間再去分析）：
#define MEM_BUFFER_LEN  5    //內存塊的數量
#define MEM_BUFFER_SIZE 256 //每塊內存的大小

//內存池的描述，使用聯合體，體現窮人的智慧。就如，我一同學說的：一個字節，恨不得掰成8個字節來用。
typedef union mem {
struct list_head list;
unsigned char buffer[MEM_BUFFER_SIZE];
}mem_t;
static union mem gmem[MEM_BUFFER_LEN];
LIST_HEAD(mem_pool);
//分配內存
void *mem_pop()
{
union mem *ret = NULL;
psr_t psr;
psr = ENTER_CRITICAL();
if(!list_empty(&mem_pool)) { //有可用的內存池
ret = list_first_entry(&mem_pool, union mem, list);
//printf("mem_pool = 0x%p  ret = 0x%p\n", &mem_pool, &ret->list);
list_del(&ret->list);
}
EXIT_CRITICAL(psr);
return ret;//->buffer;
}
//回收內存
void mem_push(void *mem)
{
union mem *tmp = NULL;
psr_t psr;

tmp = (void *)mem;//container_of(mem, struct mem, buffer);
psr = ENTER_CRITICAL();
list_add(&tmp->list, &mem_pool);
//printf("free = 0x%p\n", &tmp->list);

EXIT_CRITICAL(psr);
}
//初始化內存池
void mem_pool_init()
{
int i;
psr_t psr;
psr = ENTER_CRITICAL();
for(i=0; i list_add(&(gmem[i].list), &mem_pool);
//printf("add mem 0x%p\n", &(gmem[i].list));
}
EXIT_CRITICAL(psr);
}

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