• 前言
• 一、malloc 函數簡介
• 二、malloc 之于單片機
  • 2.1 malloc 函數申請的內存在哪里？
  • 2.2 用與不用malloc的區別
• 三、malloc可能遇到的問題
  • 3.1 內存碎片
  • 3.2 內存管理
• 四、結語（用還是不用？）

前言

最近更新 RT-Thread 專欄到了內存管理的時候，想了想該怎么來說明這個內存管理，實際上在平時使用STM32做一般產品的時候基本不會用到 malloc 函數，即便是使用了操作系統，在業務邏輯不復雜的情況下，還是用不上malloc。

但是每個嵌入式 RTOS 都會有自己的內存管理方式，本文就來聊聊我對 malloc 函數在單片機程序設計中的一些看法。

本文并不是要說明在單片機中怎么使用 malloc函數，而是根據博主自己的理解，從函數使用的根本上來分析需不需要使用，何時何地使用。

本文的探討是單片機領域，以 Cortex-M 系列內核為例。

一、malloc 函數簡介

malloc的全稱是memory allocation，中文叫動態內存分配。

函數原型 void *malloc(unsigned int size)，專業解釋還是套用百度百科：對于malloc函數，應該所有嵌入式工程師都知道，即便沒用過也都聽過，通過上面簡單的說明，也都能夠知道是干什么用的。

注意上面紅色框框部分，malloc開辟的是連續的空間，返回的是一個地址，當內存不使用，需要使用free()函數釋放內存。

二、malloc 之于單片機

在我們的單片機程序設計中，大都使用的C語言，當然可以使用 malloc 函數，但是有很多人并不能夠真正的理解它。

要理解單片機系統中的 malloc函數 ，首先必須了解動態分配的內存是在什么地方呢！

2.1 malloc 函數申請的內存在哪里？

也許大部分人知道在堆中！是的，在堆中沒錯。

那么接著問題，堆在單片機的什么地方呢？具體地址是多少呢？

要了解這個問題，就得了解內核的數據存儲方式，我們以常用的STM32為例，我在下面這篇博文詳細的介紹過STM32的內存管理（如果不懂的建議先看一下這篇博文）：

STM32的內存管理相關（內存架構，內存管理，map文件分析）

先簡單了解下單片機的堆棧，文中有如下說明：

如果通過上面推薦的博文理解了內存分配，那么我們就可以得到如下結論，可以知道 malloc 申請空間的準確地址了：

2.2 用與不用malloc的區別

知道了malloc申請空間在單片機中的地址，我們再來看一下用于不用的區別。

一般在我們的設計中，函數中可能會初始化一些臨時變量，如果是一個數組，那么他也會申請一段內存空間，我們通過一張圖來看看使用臨時變量與malloc 的區別：

解釋到這里，相信大家對在單片機上使用 malloc 有了一個更深的認識。他所存放的空間與我們經常局部變量的空間是不同，而且我們也知道了在什么位置。

至于單片機用還是不用 malloc函數？別急，我們還得往下面分析分析。

三、malloc可能遇到的問題

還是官方的百度百科里面介紹malloc的工作機制時候，有下面的說明：注意圖中畫紅色的部分，簡單解釋就是，使用 malloc 函數多了以后，會產生很多的內存碎片，白白浪費內存。

3.1 內存碎片

什么是內存碎片是什么？

這種專業的術語還得靠萬能的百度（雖然百度百科的解釋針對的是大范圍的，但是對于單片機來說其實是一樣的）：

系統中所有的不可用的空閑內存就是內存碎片。

那么 內存碎片是什如何產生的？

在上圖中其實有碎片是如何產生的說明，內部碎片是因為處理器的體系結構，需要字節對齊，比如我們在單片機中，常有4字節對齊，8字節對齊，不要說這個也不知道，我隨便打開一個 STM32L051 的啟動文件說明（GCC環境下的鏈接文件）：

按照這個啟動文件，我們也應該能知道，堆棧內存空間是需要8字節對齊的，那么我們在STM32上使用 malloc 分配的內存空間是8字節對齊的，即便你用不上8個字節，系統也會給你對齊補上。

說到這個，正好了可以說明我們內存碎片產生的第一種情況，內部碎片的產生：那么外部碎片的產生，我們也可以用圖形來表示：隨著內存不斷被分配和釋放，整個內存區域會產生越來越多的碎片，因為在使用過程中，申請了一些內存，其中一些釋放了，導致內存空間中存在一些小的內存塊，它們地址不連續，不能夠作為一整塊的大內存分配出去，系統中還有足夠的空閑內存，但因為它們地址并非連續，不能組成一塊連續的完整內存塊，會使得程序不能申請到大的內存。

在我們使用的單片機上，碎片產生問題尤為明顯，平時接觸不到，那是因為一般學習測試不會遇到復雜的項目。

3.2 內存管理

使用 malloc 會產生碎片，那么有什么辦法可以解決這個問題？

當然是有的，那就是內存管理。

內存管理就是為了解決上面提到的內存碎片問題，如何高效，快速的分配，并且在適當的時候釋放和回收內存資源。

對于單片機來說，如果你有能力是可以自己設計內存管理的方式。

如果使用嵌入式操作系統比如 FreeRTOS、RT-Thread 的話，他們內核是自帶內存管理的，本文并不會討論他們具體是如何內存管理的，但是有必要了解一下操作系統的思路。

以 FreeRTOS 為例子說明：

在 FreeRTOS 中有一個宏定義configTOTAL_HEAP_SIZE

操作系統首先向系統申請了一塊大的內存，這塊內存內存由操作系統自己的內存管理方式，對于FreeRTOS而言有5種內存管理方式：

我們在設計的時候可以自己選擇使用哪一種

對于申請的這塊內存由操作系統自動管理，FreeRTOS操作系統創建的任務，任務棧使用的就是這一塊內存，同時使用pvPortMalloc函數申請動態內存，也會從這一塊內存中分配，因為他有一套完善的內存管理方式，所以相對我們直接使用 malloc來說，他能夠很好的處理系統內存碎片的問題。

既然說到這里，額外的一個問題，就是 FreeRTOS configTOTAL_HEAP_SIZE定義額這塊內存處于單片機內存那個部分呢？

這就可以看我的又一篇博文：嵌入式RTOS的 任務棧 和 系統棧

FreeRTOS申請的內存是屬于.bss段的，位置如下圖所示：

對于單片機使用的嵌入式操作系統來說，他們有自己的內存管理方式，也會提供對于的動態內存申請結構，這時候我們使用操作系統提供的 malloc 接口函數，可以很好的避免內存碎片的產生。

注意！！單片機用了有內存管理的操作系統，系統會提供對于的 API，比如 FreeRTOS 的 pvPortMalloc 函數，RT-Thread 的 rt_malloc 函數。如果使用 C 庫的 malloc，還是會從系統堆里面申請內存！！

對于高端的單片機，有 MMU(內存管理單元) 模塊，比如 Cortex-A 系列，有了MMU就能跑linux，那么內存管理也是必備。

四、結語（用還是不用？）

本文算是詳細分析了一下 malloc 函數在單片機上的使用效果，我們知道了 malloc 函數使用申請了內存空間在哪里，我們也知道了內存碎片是如何產生的。

回到我們最初的問題，單片機領域，用還是不用 malloc 函數？

看完文章這個問題估計都不需要我直接回答了：

從項目復雜程度來說：

如果跑裸機 做些小項目，如果沒有自己的內存管理方式不是必要都不建議使用，同時為了節約內存，可以把heap設置成很小（留一點給可能調用的C庫函數會用到）。

如果跑操作系統，操作系統有完善的內存管理，可以痛快的使用操作系統的malloc接口函數。 但是如果做些小項目，也是可以不用的。

如果跑裸機 做些大項目？？？？ 我個人不太建議……

從使用的芯片RAM大小來說：

如果你選用的芯片內存比較小，10多K甚至幾K，還是用靜態內存局部變量把，因為能夠使用小內存的項目也不會太復雜，比如物聯網傳感器單品項目。

如果選用的芯片內存比較大上了 MB, 那么還是可以嘗試使用 malloc 動態內存分配的，但是前提還是得有內存管理。

但是最后還是得說一下，隨著現在的單片機發展，內存越來越大，雖然單片機小項目不建議使用 malloc 函數，但是我們上了操作系統以后，要學會去使用動態內存分配，因為當以后做的項目越來越復雜，線程越來越多，我們定義的局部變量越來越多，即便我們可以繼續增大系統 棧 的大小，但是這終究不是一種合理的解決方式。我們應該要學會合理的使用動態內存申請，為了以后向更高的地方前進 ~

沒有必要鉆牛角尖，如果項目簡單但就是想用。比如我就一個函數使用malloc 申請動態內存，沒有內存管理，我就是用了怎么地？ 這種情況用不用都一樣，看自己高興，沒有必要糾結！