单片机内存管理剖析

一、概述

在单片机系统中，内存资源通常是有限的，因此高效的内存管理至关重要。合理地分配和使用内存可以提高系统的性能和稳定性，避免内存泄漏和碎片化问题。单片机的内存主要包括程序存储器（如 Flash）和数据存储器（如 RAM），其中数据存储器又可进一步分为静态数据区、栈区和堆区。动态内存分配主要发生在堆区，而 sbrk、malloc 和 free 这三个函数 / 系统调用在堆内存管理中起着关键作用。

二、sbrk：底层的内存边界调整

2.1 原理

sbrk 是一个底层的系统调用（在某些单片机库中也有对应的实现），其核心功能是调整进程数据段的结束地址，也就是 break 指针。通过改变 break 指针的位置，可以实现堆内存的扩展和收缩。当传入一个正的增量值时，break 指针向后移动，堆内存得到扩展；当传入一个负的增量值时，break 指针向前移动，堆内存被收缩。

2.2 源码示例与解释

#include <stdint.h>
#include <errno.h>

// 假设这是链接脚本定义的堆起始和结束地址
extern char _end[];
extern char _heap_end[];
// 当前堆指针
static char *curbrk = _end;
// sbrk 函数实现
void *_sbrk(int incr) {
    char *old_brk = curbrk;
    char *new_brk = curbrk + incr;

    // 边界检查
    if (new_brk < _end || new_brk > _heap_end) {
        errno = ENOMEM;  // 设置错误号表示内存不足
        return (void *)-1;
    }

    curbrk = new_brk;
    return (void *)old_brk;
}

• 全局变量
  • _end：由链接脚本确定，代表堆的起始地址。
  • _heap_end：同样由链接脚本确定，代表堆的最大可用地址。
  • curbrk：静态变量，记录当前堆的结束地址，初始化为 _end。
• 函数逻辑
  1. 保存当前的 curbrk 到 old_brk 中，这将作为函数的返回值。
  2. 根据传入的 incr 计算新的堆结束地址 new_brk。
  3. 进行边界检查，确保 new_brk 在合法范围内（不小于 _end 且不大于 _heap_end）。如果超出范围，设置 errno 为 ENOMEM 并返回 (void *)-1 表示内存分配失败。
  4. 如果边界检查通过，更新 curbrk 为 new_brk，并返回 old_brk，它指向新分配内存的起始位置。

2.3 使用场景和注意事项

• 使用场景：sbrk 通常作为底层的内存分配原语，为更高级的内存分配函数（如 malloc）提供支持。在一些简单的单片机应用中，如果只需要简单的内存扩展和收缩操作，也可以直接使用 sbrk。
• 注意事项
  • 由于 sbrk 直接操作堆的边界，使用不当可能会导致内存越界访问，破坏其他重要的数据。
  • sbrk 分配的内存是连续的，频繁的扩展和收缩操作可能会导致内存碎片化，降低内存的利用率。

三、malloc：用户级的动态内存分配

3.1 原理

malloc 是 C 标准库中提供的用于动态内存分配的函数，它建立在 sbrk 的基础之上。malloc 函数的主要任务是根据用户请求的内存大小，在堆中找到合适的空闲内存块并返回其起始地址。为了管理堆中的空闲内存，malloc 通常会维护一个空闲块链表，使用不同的分配策略（如首次适配、最佳适配等）来查找合适的空闲块。

3.2 源码示例与解释

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <errno.h>
// 内存块结构体
typedef struct mem_block {
    size_t size;
    int is_free;
    struct mem_block *next;
} MemBlock;

// 空闲链表头指针
static MemBlock *free_list = NULL;

// 分配内存
void *malloc(size_t size) {
    MemBlock *current = free_list;
    MemBlock *prev = NULL;

    // 查找合适的空闲块
    while (current != NULL) {
        if (current->is_free && current->size >= size) {
            current->is_free = 0;
            // 如果空闲块比需求大，分割空闲块
            if (current->size > size + sizeof(MemBlock)) {
                MemBlock *new_free_block = (MemBlock *)((char *)current + sizeof(MemBlock) + size);
                new_free_block->size = current->size - size - sizeof(MemBlock);
                new_free_block->is_free = 1;
                new_free_block->next = current->next;
                current->size = size;
                current->next = new_free_block;
            }
            return (void *)(current + 1);
        }
        prev = current;
        current = current->next;
    }

    // 没有合适的空闲块，调用 sbrk 扩展堆
    size_t total_size = size + sizeof(MemBlock);
    MemBlock *new_block = (MemBlock *)_sbrk(total_size);
    if (new_block == (MemBlock *)-1) {
        return NULL;
    }
    new_block->size = size;
    new_block->is_free = 0;
    new_block->next = NULL;

    if (prev != NULL) {
        prev->next = new_block;
    } else {
        free_list = new_block;
    }

    return (void *)(new_block + 1);
}

• 数据结构

  • MemBlock
    

    结构体：用于表示堆中的内存块，包含三个成员：

    • size：记录内存块的大小。
    • is_free：标记该内存块是否空闲。
    • next：指向下一个内存块的指针，用于构建空闲块链表。

  • free_list：指向空闲块链表的头指针，初始化为 NULL。

• 函数逻辑

  1. 查找空闲块：遍历空闲块链表 free_list，使用首次适配策略查找第一个大小足够的空闲块。
  2. 分割空闲块：如果找到的空闲块比请求的大小大，将其分割为两部分：一部分用于满足当前请求，另一部分作为新的空闲块插入到链表中。
  3. 扩展堆：如果在空闲块链表中没有找到合适的空闲块，调用 sbrk 函数扩展堆空间，分配一块新的内存，并将其初始化为一个新的内存块。
  4. 返回内存地址：返回分配的内存块的起始地址（跳过 MemBlock 结构体部分）。

四、free：动态内存的释放

4.1 原理

free 函数用于释放 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存块。当调用 free 时，它会将指定的内存块标记为空闲，并尝试合并相邻的空闲块，以减少内存碎片化。

4.2 源码示例与解释

// 释放内存
void free(void *ptr) {
    if (ptr == NULL) return;

    // 获取内存块头部
    MemBlock *block = (MemBlock *)ptr - 1;
    block->is_free = 1;

    // 合并相邻的空闲块
    MemBlock *current = free_list;
    MemBlock *prev = NULL;

    // 找到合适的插入位置
    while (current != NULL && current < block) {
        prev = current;
        current = current->next;
    }

    // 合并前一个空闲块
    if (prev != NULL && prev->is_free) {
        prev->size += block->size + sizeof(MemBlock);
        prev->next = block->next;
        block = prev;
    }

    // 合并后一个空闲块
    if (current != NULL && current->is_free) {
        block->size += current->size + sizeof(MemBlock);
        block->next = current->next;
    }

    // 如果没有前一个块，更新空闲链表头
    if (prev == NULL) {
        free_list = block;
    } else {
        prev->next = block;
    }
    block->next = current;
}

• 函数逻辑
  1. 空指针检查：如果传入的指针 ptr 为 NULL，直接返回，不进行任何操作。
  2. 标记为空闲：通过指针计算得到内存块的头部信息（MemBlock 结构体），将其 is_free 标记设置为 1，表示该内存块已空闲。
  3. 合并相邻空闲块
     • 遍历空闲块链表，找到合适的位置插入该空闲块。
     • 检查前一个和后一个内存块是否空闲，如果是，则将它们合并成一个更大的空闲块。
  4. 更新空闲链表：根据合并结果更新空闲块链表的指针，确保链表的正确性。

4.3 使用场景和注意事项

• 使用场景：在不再需要使用动态分配的内存时，必须调用 free 函数释放内存，以避免内存泄漏。
• 注意事项
  • 只能释放由 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存，释放其他内存可能会导致未定义行为。
  • 不要多次释放同一块内存，这会导致双重释放错误，可能会破坏内存管理数据结构。

sbrk、malloc 和 free 是单片机内存管理中重要的工具，它们相互协作，实现了堆内存的动态分配和释放。sbrk 作为底层的系统调用，提供了基本的内存扩展和收缩功能；malloc 基于 sbrk 实现了用户级的动态内存分配接口，方便程序员在运行时分配所需的内存；free 则负责释放不再使用的内存，避免内存泄漏和碎片化。在实际应用中，需要合理使用这些函数，注意内存的分配和释放规则，以确保系统的稳定性和性能。