C語(yǔ)言中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理知識(shí)

概述：C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)是可以直接訪問(wèn)內(nèi)存地址，也就是指針操作，但其缺陷也是因?yàn)橹苯觾?nèi)存訪問(wèn)。如何通過(guò)防御性編程提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，盡可能減少內(nèi)存異常產(chǎn)生的后果，就是本文的重點(diǎn)。

1、內(nèi)存劃分

一般內(nèi)存區(qū)域劃分五段：

棧區(qū)（stack）有時(shí)也稱為堆棧，重點(diǎn)在棧字，存放函數(shù)內(nèi)部臨時(shí)變量

堆區(qū)（heap）也就是動(dòng)態(tài)申請(qǐng)（malloc）、釋放(free)的內(nèi)存區(qū)域

數(shù)據(jù)區(qū)（data）初始化的全局變量和靜態(tài)變量, 占用可執(zhí)行文件空間；rodata 固定不變const修飾的全局變量，不占內(nèi)存空間

bss區(qū)未初始化的全局變量、靜態(tài)變量（static關(guān)鍵字描述的）,初始化為全0的全局變量，不占用可執(zhí)行文件大小

代碼區(qū)（text）程序二進(jìn)制文件

最終下載的可執(zhí)行文件包括代碼（text）和數(shù)據(jù)（data）。內(nèi)存的分配一般如下圖：

其中堆和棧的地址分配方向相反，棧比較特殊，下面以?？臻g異常使用為例：

?

#include?

int?main(void)
{
????int?a=100;
????int?b[3]={0};
????int?c=200;

????printf("ori>?a[%p]=%d,c[%p]=%d
",&a,a,&c,c);

????printf("???>?b[%p]
",&b);
????b[0]=0;
????b[1]=1;
????b[2]=2;
????b[3]=3;//error?->a

????printf("new>?a[%p]=%d,c[%p]=%d
",&a,a,&c,c);

????return?0;
}

?

運(yùn)行結(jié)果：

?

ori>?a[0028FEBC]=100,c[0028FEAC]=200
???>?b[0028FEB0]
new>?a[0028FEBC]=3,c[0028FEAC]=200

?

結(jié)合打印的變量地址，棧空間分配如下圖，因?yàn)閿?shù)組b的操作越界，導(dǎo)致了變量a的值被覆蓋。

針對(duì)個(gè)人情況，一般情況下內(nèi)存溢出都是使用數(shù)組越界，所以在異常值后或者前查看有沒(méi)數(shù)組（全局變量可以查map文件），檢查數(shù)組的操作是否正確。

除了堆區(qū)，其他幾個(gè)區(qū)都是有編譯器和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)處理的，而堆區(qū)由開(kāi)發(fā)者來(lái)操作的。這既是便利，也是隱患，一旦操作失誤就是內(nèi)存泄漏或溢出。

2、動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理

在硬件資源固定的情況下，棧和堆的空間此消彼長(zhǎng)，合理的定義堆的空間，為不同任務(wù)分配合適的棧空間也是至關(guān)重要的。以FreeRTOS內(nèi)核代碼為例，《FreeRTOS及其應(yīng)用》分別解讀其5種動(dòng)態(tài)內(nèi)存，也就是堆的分配方式，其他系統(tǒng)的原理差不多。

FreeRTOS 內(nèi)核提供了 5 種內(nèi)存管理算法，源文件在SourceportableMemMang 下，使用時(shí)選擇其中一個(gè)。

heap_1.c內(nèi)存管理方案簡(jiǎn)單,它只能申請(qǐng)內(nèi)存而不能進(jìn)行內(nèi)存釋放。

一些低端嵌入式系統(tǒng)并不會(huì)經(jīng)常動(dòng)態(tài)申請(qǐng)與釋放內(nèi)存，在系統(tǒng)啟動(dòng)后申請(qǐng)，一直使用下去，永不釋放，適合這種方式，也可近似理解為多個(gè)全局小數(shù)組合并的使用。

heap_2.c?方案支持申請(qǐng)和釋放，但是它不能把相鄰的兩個(gè)小的內(nèi)存塊合成一個(gè)大的內(nèi)存塊， 隨著不斷的申請(qǐng)釋放，空閑空間會(huì)分割為很多小片段，如下圖

持續(xù)申請(qǐng)、釋放一定次數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)剩余空間的和較大，但卻申請(qǐng)不到內(nèi)存的情況，如上圖剩余空間是900，但無(wú)法申請(qǐng)600，因?yàn)闆](méi)有連續(xù)的600空間。如果每次申請(qǐng)內(nèi)存大小都是固定的，就不存在內(nèi)存碎片問(wèn)題，但實(shí)際不會(huì)這樣，因此不推薦。

heap_3.c?方案只是封裝了標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)中的 malloc()和 free()函數(shù)，由編譯器提供，需要通過(guò)編譯器或者啟動(dòng)文件設(shè)置堆空間，封裝是為了保證線程安全。

heap_4.c?方案是在heap_2.c 基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)存碎片進(jìn)行了改進(jìn)。

如圖E到F，用戶釋放后，把相鄰的空閑的內(nèi)存塊合并成一個(gè)更大的塊，這樣可以減少內(nèi)存碎片。

heap_5.c?方案在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配時(shí)與 heap4.c 方案一樣，采用最佳匹配算法和合并算法，并且允許內(nèi)存堆跨越多個(gè)非連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，也就是允許在不連續(xù)的內(nèi)存堆中實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分配，比如做圖形顯示，可能芯片內(nèi)部的 RAM 不足，額外擴(kuò)展SDRAM，這種內(nèi)存管理方案則比較合適。

一般選用heap_4.c。

3、動(dòng)態(tài)內(nèi)存防御性編程

內(nèi)存只申請(qǐng)不釋放，運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)因?yàn)閮?nèi)存不足而無(wú)法運(yùn)行，即內(nèi)存泄露；或者操作的內(nèi)存區(qū)域超出了申請(qǐng)的空間，訪問(wèn)越界即內(nèi)存溢出，導(dǎo)致各種隨機(jī)異常。對(duì)于內(nèi)存操作的不穩(wěn)定因素，如何進(jìn)行防御性編程，可以在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題？

簡(jiǎn)單的說(shuō)就是內(nèi)存分配的時(shí)候，記錄申請(qǐng)內(nèi)存的函數(shù)名（或者擴(kuò)展加上申請(qǐng)時(shí)間），申請(qǐng)內(nèi)存大小的基礎(chǔ)上額外增加空間，在其首尾加入特殊的標(biāo)志位，釋放該內(nèi)存前對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行校驗(yàn)；如果校驗(yàn)不通過(guò)，則將申請(qǐng)?jiān)搩?nèi)存的函數(shù)名打印出來(lái)，表示出現(xiàn)了內(nèi)存溢出。也支持隨時(shí)打印當(dāng)前動(dòng)態(tài)內(nèi)存的使用情況，查看某些函數(shù)申請(qǐng)的內(nèi)存釋放一直未被釋放，人工判斷是否內(nèi)存泄露。

下面是完整源碼：

?

//pal_memory.h
#ifndef?_PAL_MEMORY_H
#define?_PAL_MEMORY_H

//配置是否開(kāi)啟內(nèi)存記錄功能
#define?__MEMORY_DEBUG__

typedef?unsigned?char???uint8_t;
typedef?unsigned?int????uint32_t;

extern?void?*chengj_pal_memory_malloc(uint32_t?size,?const?char?*func);
extern?void?chengj_pal_memory_free(void?**pv);
extern?void?chengj_pal_memory_record_print(void);

#define?chengj_malloc(size)?????chengj_pal_memory_malloc(size,?__FUNCTION__)
#define?chengj_free(pv)?????????chengj_pal_memory_free(&pv)

#endif??/*?_PAL_MEMORY_H?*/

?

具體實(shí)現(xiàn)：

?

/**********************************************************************
?*?
?*?Copyright(c)??embedded-systems rights reserved
?*?
?*?Description:
?*????????memory management?
?*
?*??????[微信公眾號(hào):?嵌入式系統(tǒng)]
?*?
?*********************************************************************/
#include?
#include?
#include?"pal_memory.h"

//適配平臺(tái)內(nèi)存管理接口
#define?PAL_MALLOC??malloc
#define?PAL_FREE????free

#if?defined?(__MEMORY_DEBUG__)

#define?MEMORY_RECORD_COUNT_MAX 100

//len[4]+head[4]+...[data]...+tail[2]
#define?MEMORY_EXTRA_SIZE 10

//magic
#define?MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD 0x43
#define?MEMORY_DATA_MAGIC_TAIL 0x4A

typedef?struct
{
????const?char?*func_name;
????void?*pointer;
????//可擴(kuò)展保存?時(shí)間戳?等信息
}?memory_record_struct;

//記錄申請(qǐng)內(nèi)存的函數(shù)
static?memory_record_struct chengj_memory_record[MEMORY_RECORD_COUNT_MAX]?=?{0};

#endif?/*?__MEMORY_DEBUG__?*/

/*
?*輸出未被釋放的申請(qǐng)函數(shù)名和指針地址
?*/
void?chengj_pal_memory_record_print(void)
{
#if?defined?(__MEMORY_DEBUG__)
????uint32_t?i?=?0;

????for(;?i?>?24)?&?0xFF;
????pdata[1]?=?(size?>>?16)?&?0xFF;
????pdata[2]?=?(size?>>?8)?&?0xFF;
????pdata[3]?=?size?&?0xFF;

????pdata[4]?=?MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD;
????pdata[5]?=?MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD;
????pdata[6]?=?MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD;
????pdata[7]?=?MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD;

????pdata[size?-?2]?=?MEMORY_DATA_MAGIC_TAIL;
????pdata[size?-?1]?=?MEMORY_DATA_MAGIC_TAIL;

????for(;?i?

	?

	可以測(cè)試下效果：

	?
#include?"pal_memory.h"

//微信公眾號(hào):?嵌入式系統(tǒng)
//申請(qǐng)10字節(jié)但使用20字節(jié)
void?test(void)
{
????uint8_t?*p;
????uint8_t?i;

????p=chengj_malloc(10);
????for(i=0;i<20;i++)
????{
????????p[i]=i;
????}
????chengj_free(p);
}


int?main(int?argc,?char?*argv[])
{
????printf("embedded-system?
");
????test();
????return?0;
}


	?

	運(yùn)行結(jié)果：

	?
embedded-system
memory error?0x04?test()


	?

	表示test函數(shù)內(nèi)申請(qǐng)的一段內(nèi)存使用時(shí)溢出，尾部標(biāo)記數(shù)據(jù)被覆蓋。

	也可以在memory_record_struct增加時(shí)間戳成員，記錄內(nèi)存申請(qǐng)時(shí)間，再擴(kuò)展void chengj_pal_memory_record_print(void) 打印內(nèi)存使用情況，查看長(zhǎng)時(shí)間申請(qǐng)未釋放的內(nèi)存使用情況。

	4、小結(jié)

	內(nèi)存記錄調(diào)試方法，浪費(fèi)了一定量的內(nèi)存空間，而且不能排除問(wèn)題，只是提早監(jiān)測(cè)到異常，但對(duì)軟件穩(wěn)定性仍有較大意義，可以快速解決內(nèi)存問(wèn)題。建議只在debug版本啟用，正式發(fā)布的release版本關(guān)閉記錄功能。

	　　審核編輯：湯梓紅