動態(tài)內(nèi)存與靜態(tài)內(nèi)存有何優(yōu)劣？嵌入式如何選擇？

所謂動態(tài)內(nèi)存分配(Dynamic Memory Allocation)就是指在程序執(zhí)行的過程中動態(tài)地分配或者回收存儲空間的分配內(nèi)存的方法。動態(tài)內(nèi)存分配不像數(shù)組等靜態(tài)內(nèi)存分配方法那樣需要預先分配存儲空間，而是由系統(tǒng)根據(jù)程序的需要即時分配，且分配的大小就是程序要求的大小。

關(guān)于靜態(tài)內(nèi)存與動態(tài)內(nèi)存

1.1、靜態(tài)和動態(tài)內(nèi)存的特點

在探討這個問題之前我們先來對比下靜態(tài)內(nèi)存和動態(tài)內(nèi)存的特點：

1. 創(chuàng)建的時間不同： 創(chuàng)建的時間不同：靜態(tài)分配發(fā)生在程序編譯和連接的時候。動態(tài)分配則發(fā)生在程序調(diào)入和執(zhí)行的時候。

編譯鏈接過程中已經(jīng)分配好的

代碼運行過程中使用rt_malloc分配:

1static void onmessage_text(rws_socket socket, const char *text, const unsigned int len)

2{

3 char *buff = RT_NULL;

4

5 buff = (char *)rt_malloc(2048);

6

7 rt_memset(buff, 0x00, 2048);

8 rt_memcpy(buff, text, len);

9

10 LOG_D("message(txt), %d(byte): %s ", len, buff);

11

12 if(buff != RT_NULL)

13 {

14 rt_free(buff);

15 }

16}

2. 創(chuàng)建的空間不同：堆都是動態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有2種分配方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態(tài)分配由函數(shù)malloc進行分配。不過棧的動態(tài)分配和堆不同，他的動態(tài)分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現(xiàn)。

1.2、靜態(tài)和動態(tài)內(nèi)存的優(yōu)缺點

在了解了靜態(tài)內(nèi)存和動態(tài)內(nèi)存不同的特點后可以分析出它們在不同的方面具有不同的優(yōu)缺點：

1.靜態(tài)內(nèi)存編譯階段就分配好了，不會存在分配失敗的情況，除非系統(tǒng)內(nèi)存被分配完了，但是在編譯階段就可以查出。動態(tài)內(nèi)存在運行中分配，在正常運行的情況下可能夠正常分配，在某種環(huán)境下可能分配失敗 ，這樣就對開發(fā)者的代碼水平要求更高，要求開發(fā)者需要對代碼的健壯性有要求。

2.靜態(tài)內(nèi)存由于是編譯階段分配好的，而動態(tài)內(nèi)存是由運行中分配，這樣動態(tài)內(nèi)存可以被高效復用，當某段程序使用完畢后，可以將內(nèi)存交換給內(nèi)存池中等待下次程序的分配，由于這種機制，開發(fā)者可以利用更小的內(nèi)存開發(fā)更大型的程序。

3. 動態(tài)內(nèi)存由于是動態(tài)分配，所以涉及到分配和釋放的問題，假設(shè)X程序在分配了ABC3塊內(nèi)存，程序執(zhí)行完畢后AC區(qū)域內(nèi)存被釋放，但是由于開發(fā)者的疏忽導致B區(qū)域的內(nèi)存被遺留。而X程序又是會被反復調(diào)用的，這樣我們的內(nèi)存區(qū)域由于有沒有釋放的區(qū)域?qū)е旅看握{(diào)用就會占用一段區(qū)域，最終系統(tǒng)就沒有內(nèi)存可以使用。這種情況一般在產(chǎn)品實際體現(xiàn)為最開始的時候設(shè)備正常工作，但是運行了幾個小時或者幾天后死機。這種情況一般被稱作內(nèi)存泄漏(Memory Leak)。

4. 在嵌入式RTOS中線程函數(shù)中使用靜態(tài)內(nèi)存，也就是在線程中定義局部變量，會加大線程?？臻g的開銷。

裸機開發(fā)和RTOS開發(fā)的特點

1. 代碼規(guī)模：裸機開發(fā)的項目一般代碼規(guī)模度都比較小，對于一般開發(fā)者都難于駕馭使用裸機開發(fā)超大規(guī)模項目，人力成本和時間成本都太高。反而由于RTOS的模塊化特性，更容易開發(fā)出代碼規(guī)模大的項目。

2. 系統(tǒng)穩(wěn)定性：在機電，航空，汽車等行業(yè)都是需要高實時性、高穩(wěn)定性和高安全性的。對于RTOS來說，系統(tǒng)任務(wù)的劃分調(diào)度都是系統(tǒng)管理，當開發(fā)者對其機制了解不清楚的情況下反而帶來了部分風險。除此之外RTOS上的內(nèi)存管理也是很大影響系統(tǒng)的，對于RTOS上一般不會存在MMU內(nèi)存管理單元，也就代表大部分運行RTOS的芯片上都沒有虛擬地址映射，那么就無法利用物理地址和虛擬地址的特性進行內(nèi)存整理，避免內(nèi)存泄漏。所以說在RTOS動態(tài)內(nèi)存這塊內(nèi)存有風險。

嵌入式中是否應(yīng)該使用動態(tài)內(nèi)存

明白不同內(nèi)存的優(yōu)缺點和裸機RTOS的特點之后，我們在回頭來分析 “嵌入式中是否應(yīng)該使用動態(tài)內(nèi)存?” 這個問題。在實時嵌入式系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)軟件并不像PC上復雜，一般都是很簡單的內(nèi)存使用，所以一般也不使用動態(tài)內(nèi)存管理，但是隨著RTOS面臨的任務(wù)越來越重，尤其是IoT和AIoT的到來，讓許多消費級產(chǎn)品運行的RTOS的負擔越來越重。在這種情況下繼續(xù)使用靜態(tài)內(nèi)存開發(fā)會極大的限制開發(fā)進度，整個開發(fā)的靈活性非常低。同時靜態(tài)的內(nèi)存無法復用使用同一片內(nèi)存區(qū)域，相比與動態(tài)內(nèi)存在大型項目中一般會使用更多的內(nèi)存，在內(nèi)存大小不容樂觀的嵌入式系統(tǒng)是很難接受的。但是針對一些高穩(wěn)定性和高安全性的項目來說，使用動態(tài)內(nèi)存就需要好好斟酌下，由于RTOS上基本沒有MMU的硬件支持或者是系統(tǒng)軟件支持，所以不可避免的系統(tǒng)中會出現(xiàn)內(nèi)存碎片，從而有可能導致系統(tǒng)異常。最終說了這么多總結(jié)成以下幾點：

1. 沒有使用RTOS的項目：不建議使用動態(tài)內(nèi)存，這種項目一般很簡單，不必使用動態(tài)內(nèi)存增大系統(tǒng)開銷和復雜度。

2. 使用RTOS的消費級項目：建議使用動態(tài)內(nèi)存，一般這種項目代碼復雜度比裸機高，合理使用動態(tài)內(nèi)存會有效降低內(nèi)存的開銷。同時很多Github項目的linux程序都是會使用內(nèi)存管理，有這套機制能更加方便的移植代碼。

3. 使用RTOS的軍工、航天、醫(yī)療等高穩(wěn)定性和高安全性項目：建議盡量降低對動態(tài)內(nèi)存的使用與依賴以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當然也不代表動態(tài)內(nèi)存就無法在這些項目上使用，只是要求系統(tǒng)開發(fā)者對系統(tǒng)內(nèi)存的把控要求更高。

RT-Thread的內(nèi)存管理

RT-Thread 操作系統(tǒng)在內(nèi)存管理上，根據(jù)上層應(yīng)用及系統(tǒng)資源的不同，有針對性地提供了不同的內(nèi)存分配管理算法。總體上可分為兩類：內(nèi)存堆管理與內(nèi)存池管理，而內(nèi)存堆管理又根據(jù)具體內(nèi)存設(shè)備劃分為三種情況：

第一種是針對小內(nèi)存塊的分配管理(小內(nèi)存管理算法);

第二種是針對大內(nèi)存塊的分配管理(slab 管理算法);

第三種是針對多內(nèi)存堆的分配情況(memheap 管理算法)。

小內(nèi)存管理算法是一個簡單的內(nèi)存分配算法。初始時，它是一塊大的內(nèi)存。當需要分配內(nèi)存塊時，將從這個大的內(nèi)存塊上分割出相匹配的內(nèi)存塊，然后把分割出來的空閑內(nèi)存塊還回給堆管理系統(tǒng)中。每個內(nèi)存塊都包含一個管理用的數(shù)據(jù)頭，通過這個頭把使用塊與空閑塊用雙向鏈表的方式鏈接起來。

RT-Thread 的 slab 分配器是在 DragonFly BSD 創(chuàng)始人 Matthew Dillon 實現(xiàn)的 slab 分配器基礎(chǔ)上，針對嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化的內(nèi)存分配算法。最原始的 slab 算法是 Jeff Bonwick 為 Solaris 操作系統(tǒng)而引入的一種高效內(nèi)核內(nèi)存分配算法。

memheap 管理算法適用于系統(tǒng)含有多個地址可不連續(xù)的內(nèi)存堆。使用 memheap 內(nèi)存管理可以簡化系統(tǒng)存在多個內(nèi)存堆時的使用：當系統(tǒng)中存在多個內(nèi)存堆的時候，用戶只需要在系統(tǒng)初始化時將多個所需的 memheap 初始化，并開啟 memheap 功能就可以很方便地把多個 memheap(地址可不連續(xù))粘合起來用于系統(tǒng)的 heap 分配。