單片機上內存管理（重定義malloc & free）de實現

   在單片機上經常會需要用到像標準c庫中的內存分配，可是單片機並沒有內存管理機制，如果直接調用庫函數（malloc,free...）,會導致內存碎片越用越多，很容易使系統崩潰掉，這裏分享一個自己寫的適用於單片機的內存分配方法，具備輕量級的內存管理能力，有效減少內存碎片，提高單片機系統工作穩定性。

   如下圖，heap_start開始的地方，是我們存放用戶數據的地方，在heap_end之前都是大小固定的一個個內存管理塊，內存管理塊用於記錄每次用戶申請內存的地址、大小、釋放情況。在malloc時，會優先選擇和用戶申請空間最相當的內存塊，以減少內存碎片產生。在free的內存塊時，如果遇到相鄰內存塊均爲空閒塊時，便會將幾塊相鄰的內存塊合併成一塊，以減少內存碎片。

源碼下載：

alloc.c

/*
********************************************************************************
*                                memory alloc 
*
*                            (c) Copyright 2018-2020;
*        All rights reserved.  Protected by international copyright laws.
*
*                                MEMORY ALLOC
*
* File    : mem_alloc.c
* By      : Recahrd.Zhang
* Version : V1.00
*
********************************************************************************
*/
#include <string.h>
#include "mem_alloc.h"
#include "debug.h"

#define MEM_ALLOC        1
#if defined (MEM_ALLOC)&&MEM_ALLOC
#define alloc_printf         printf
#else
#define alloc_printf(argv, ...)
#endif

#define MEM_SIZE         2*1024             /*內存池的大小 2 KBytes*/

static    char mem[MEM_SIZE];                   /*定義用來內存分配的數組*/

#define MEM_START     &mem[0]                /*定義內存池的首地址*/
#define MEM_END       &mem[MEM_SIZE]        /*定義內存池的尾地址*/

enum USE_STA{                            /*定義內存塊的使用狀態(UNUSED 未使用)，(USED 已使用)*/
    UNUSED = 0,
    USED   = 1
};

#pragma pack(1)
typedef struct mem_block{                /*定義內存管理塊的數據結構*/
    void             *mem_ptr;            /*當前內存塊的內存地址*/
    struct mem_block     *nxt_ptr;        /*下一個內存管理塊的地址*/
    unsigned int         mem_size;        /*當前內存塊的大小*/
    enum USE_STA        mem_sta;        /*當前內存塊的狀態*/
}mem_block;
#pragma pack()


#define BLK_SIZE    sizeof(mem_block)    /*內存管理塊的大小*/
#define HEAD_NODE    (MEM_END - BLK_SIZE)/*頭內存管理塊的地址*/

static signed char  mem_init_flag = -1; /*內存分配系統初始化的標誌(-1 未初始化),(1 已初始化)*/

/*
********************************************************************************
*                                   內存分配系統初始化                     
*
* 描述    : 初始化內存分配系統，爲malloc和free做好準備工作。
*
* 參數  : 無
*
* 返回  : 無
********************************************************************************
*/
void mem_init(void)
{
    mem_block     *node;
    
    memset(mem,    0x00UL,    sizeof(mem));
    
    node = (mem_block     *)HEAD_NODE;
    node->mem_ptr         =     MEM_START;
    node->nxt_ptr         =     (mem_block *)HEAD_NODE;
    node->mem_size        =     MEM_SIZE - BLK_SIZE;
    node->mem_sta        =    UNUSED;
    
    mem_init_flag = 1;
}

/*
********************************************************************************
*                                   內存申請函數                     
*
* 描述    : 內存申請函數
*
* 參數  : nbytes    要申請的內存的字節數。
*
* 返回  : 成功        返回申請到的內存的首地址
*          失敗        返回NULL
********************************************************************************
*/
static void *malloc(unsigned nbytes)
{
    unsigned int    suit_size = 0xFFFFFFFFUL;
    mem_block     *head_node=NULL, *tmp_node=NULL, *suit_node=NULL;

    if(nbytes == 0)
    {
        alloc_printf("參數非法!\r\n");
        return NULL;
    }
    if(mem_init_flag < 0)
    {
        alloc_printf("未初始化,先初始化.\r\n");
        mem_init();
    }
    
    head_node = tmp_node = (mem_block *)HEAD_NODE;
    while(1)
    {
        if(tmp_node->mem_sta == UNUSED)
        {
            if(nbytes <= tmp_node->mem_size && tmp_node->mem_size < suit_size)
            {
                suit_node = tmp_node;
                suit_size = suit_node->mem_size;
            }
        }
        tmp_node = tmp_node->nxt_ptr;
        if(tmp_node == head_node)
        {
            if(suit_node == NULL)
            {
                alloc_printf("NULL\r\n");
                return NULL;
            }
            break;
        }
    }

    if(nbytes <= suit_node->mem_size && (nbytes + BLK_SIZE) >= suit_node->mem_size)
    {
        suit_node->mem_sta = USED;
        return suit_node->mem_ptr;
    }
    else    if(suit_node->mem_size > (nbytes + BLK_SIZE))
    {
        tmp_node = suit_node->mem_ptr; 
        tmp_node = (mem_block *)((unsigned char *)tmp_node + nbytes);
        tmp_node->mem_ptr  = suit_node->mem_ptr;
        tmp_node->nxt_ptr  = suit_node->nxt_ptr;
        tmp_node->mem_size = nbytes;
        tmp_node->mem_sta  = USED;
        
        suit_node->mem_ptr      = (mem_block *)((unsigned char *)tmp_node + BLK_SIZE);
        suit_node->nxt_ptr   =  tmp_node;
        suit_node->mem_size -= (nbytes + BLK_SIZE);
        suit_node->mem_sta   = UNUSED;
        
        return tmp_node->mem_ptr;
    }
    else
    {
        alloc_printf("%s,size err!\r\n",__FUNCTION__);
    }
    
    return NULL;
}

/*
********************************************************************************
*                                   內存釋放函數                     
*
* 描述    : 內存釋放函數 
*
* 參數  : ap        要釋放的內存塊的指針。
*
* 返回  : 無
********************************************************************************
*/
static void free(void *ap)
{
    mem_block     *head_node, *tmp_node, *nxt_node;
    
    if(ap == NULL)
        return;
    if(mem_init_flag < 0)
    {
        return;
    }
    head_node = tmp_node = (mem_block *)HEAD_NODE;
    while(1)
    {
        if(tmp_node->mem_ptr == ap)
        {
            if(tmp_node->mem_sta != UNUSED)
            {
                tmp_node->mem_sta = UNUSED;
                break;
            }
            else
            {
                alloc_printf("ap:0x%08x 已經釋放,無需再次釋放\r\n",ap);
                return;
            }
        }
        
        tmp_node = tmp_node->nxt_ptr;
        if(tmp_node == head_node)
        {
            alloc_printf("%s,can not found ap!\r\n",__FUNCTION__);
            return ;
        }
    }

AGAIN:    
    head_node = tmp_node = (mem_block *)HEAD_NODE;
    while(1)
    {
        nxt_node = tmp_node->nxt_ptr;
        if(nxt_node == head_node)
        {
            break;
        }
        if(tmp_node->mem_sta == UNUSED && nxt_node->mem_sta == UNUSED)
        {
            tmp_node->mem_ptr     = nxt_node->mem_ptr;
            tmp_node->nxt_ptr     = nxt_node->nxt_ptr;
            tmp_node->mem_size += nxt_node->mem_size + BLK_SIZE;
            tmp_node->mem_sta    =  UNUSED;
            
            goto AGAIN;
        }
        tmp_node = nxt_node;
    }
}

void *m_malloc(unsigned nbytes)
{
    return malloc(nbytes);
}

void m_free(void *ap)
{
    free(ap);
}

alloc.h
 

#ifndef __MEM_ALLOC_H__
#define __MEM_ALLOC_H__

void *m_malloc(unsigned nbytes);
void  m_free(void *ap);

#endif

test.c：

#include <stdio.h>
#include "alloc.h"

#define alloc_printf  pritnf

/*
********************************************************************************
*                                   內存打印函數                     
*
* 描述    : 打印內存系統中每一個內存塊的信息
*
* 參數  : 無
*
* 返回  : 無
********************************************************************************
*/
void mem_print(void)
{
    unsigned int i = 0;
    mem_block     *head_node, *tmp_node;

    if(mem_init_flag < 0)
    {
        alloc_printf("未初始化,先初始化.\r\n");
        mem_init();
    }
    head_node = tmp_node = (mem_block *)HEAD_NODE;
    alloc_printf("\r\n#############################\r\n");
    while(1)
    {
        alloc_printf("\r\nNO.%d:\r\n",i++);
        alloc_printf("blk_ptr:0x%08x\r\n",tmp_node);
        alloc_printf("mem_ptr:0x%08x\r\n",tmp_node->mem_ptr);
        alloc_printf("nxt_ptr:0x%08x\r\n",tmp_node->nxt_ptr);
        alloc_printf("mem_size:%d\r\n",tmp_node->mem_size);
        alloc_printf("mem_sta:%d\r\n",tmp_node->mem_sta);

        tmp_node = tmp_node->nxt_ptr;
        if(tmp_node == head_node)
        {
            break;
        }
    }
    alloc_printf("\r\n#############################\r\n");
}

void buff_print(unsigned char *buf,unsigned int len)
{
    unsigned int i;

    alloc_printf("\r\n");
    for(i=0;i<len;i++)
    {
        if(i%16 == 0 && i != 0)
        {
            alloc_printf("\r\n");
        }
        alloc_printf("0x%02x,",buf[i]);
        //alloc_printf("%c",buf[i]);
    }
    alloc_printf("\r\n");
}

void *m_malloc(unsigned nbytes)
{
    return malloc(nbytes);
}

void m_free(void *ap)
{
    free(ap);
}

typedef char (*array)[4];
/*
********************************************************************************
*                                   內存分配函數測試                     
*
* 描述    : 測試內存分配系統中每一個函數的功能
*
* 參數  : 無
*
* 返回  : 無
********************************************************************************
*/
void alloc_test(void)
{  
    array ptr = NULL;
    unsigned int i,j;

    alloc_printf("Ptr1:%d\r\n",sizeof(ptr));
    ptr = m_malloc(16);
    if(ptr == NULL)
    {
        alloc_printf("malloc failed.\r\n");
        return;
    }
    mem_print();
    
    for(i=0;i<4;i++)
    {
        for(j=0;j<4;j++)
        {
            ptr[i][j] = i;
        }
    }
    m_free(ptr);
    mem_print();
    buff_print((unsigned char *)ptr, 16);
}