c - 我应该使堆栈段变大还是堆段变大？

Question

我正在为内存非常有限的微处理器设计程序，我必须在不同的功能中使用“大量”内存。我不能有大的栈段，堆段，数据段，我必须选择哪个变大哪个变小。我总共有大约 32KB，

我为文本段使用了大约 20KB，其余部分为 12KB。我需要一个 4KB 的缓冲区来传递给不同的函数(SPI Flash 扇区大小)。应该在哪里初始化那个大缓冲区？

所以我的选择是:

1) 如果我在函数的开头声明缓冲区，则堆栈需要变大

spiflash_read(...)
{
  u8 buffer[4096]; // allocated on stack 
  syscall_read_spi(buffer,...)
}

2) 动态分配，heap需要变大

spiflash_read(...)
{
  u8 *buffer = (u8*) malloc(4096); // allocated in heap
  syscall_read_spi(buffer,...)
}

3) 静态分配，巨大的缺点是它不能在“SPI 库”之外使用。

static u8 buffer[4096]; // allocated in data section.

spiflash_read(...)
{
  syscall_read_spi(buffer,...)
}

我的问题是哪种方法是实现此设计的最佳方式？有人可以解释一下原因吗？

Answer 1

静态分配始终是运行时安全的，因为如果内存不足，链接器会在构建时告诉您，而不是代码在运行时崩溃。但是，除非在执行期间永久需要内存，否则它可能会造成浪费，因为分配的内存不能重复用于多种用途，除非您明确地以这种方式进行编码。

动态内存分配是运行时可检查的——如果您用完了堆，malloc() 将返回一个空指针。然而，您有责任测试返回值，并在必要时释放内存。动态内存块通常是 4 或 8 字节对齐的，并带有堆管理数据开销，这使得它们对于非常小的分配来说效率低下。此外，频繁分配和释放不同大小的 block 会导致堆碎片和内存浪费——这对于“永远在线”的应用程序来说可能是灾难性的。如果您从不打算释放内存，它总是会被分配，并且您先验知道您需要多少内存，那么使用静态分配可能会更好。如果您有库源代码，您可以修改 malloc 以在内存分配失败时立即停止，以避免必须检查每个分配。如果分配大小通常是一些常见大小，则固定 block 分配器而不是标准 malloc() 可能更可取。这将更具确定性，您可以实现使用情况监控以帮助优化 block 大小和每个大小的数量。

堆栈分配是最有效的，因为它会根据需要自动获取和返回内存。然而，它也很少或没有运行时检查支持。通常，当发生堆栈溢出时，代码将不确定地失败 - 并且不一定接近根本原因。一些链接器可以生成堆栈分析输出，通过调用树计算最坏情况下的堆栈使用情况；如果你有那种设施，你应该使用它，但请记住，如果你有一个多线程系统，就会有多个堆栈，你需要检查每个入口点的最坏情况。另外lonker不会分析中断栈的使用情况，你的系统可能有单独的中断栈，也可能共享系统栈。

我解决这个问题的方法当然不是将大型数组或对象放在堆栈上，而是遵循以下过程:

1. 使用链接器堆栈分析来计算最坏情况下的堆栈使用情况，必要时允许 ISR 使用额外的堆栈。分配那么多堆栈。

2. 静态分配执行期间所需的所有对象。

3. 使用链接映射来确定剩余的内存量，将几乎所有内存分配给堆(您的链接器或链接器脚本可能会自动执行此操作，但如果您必须明确设置堆大小，请保留一些未使用的空间，否则每次添加新的静态对象或扩展堆栈时，您都必须调整堆的大小)。从堆中分配所有大型临时对象，并注意释放分配的内存。

如果您的库包含堆诊断函数，您可以在代码中使用它们来监控堆使用情况，以检查您离耗尽有多近。

链接器分析“最坏情况”很可能比您在实践中看到的要大——我永远不会执行最坏情况路径。您可以使用特定字节(比如 0xEE)或模式预填充堆栈，然后在大量测试和操作之后，检查“高潮”标记并以这种方式优化堆栈。谨慎使用此技术；您的测试可能无法涵盖所有​​可预见的情况。