c++ - ARM GCC 堆未完全使用

Question

我正在设置我的 Cortex-M4 平台以使用堆内存并遇到一些问题。我将堆区域大小设置为 512 字节，它只分配了 9 字节。然后我设置heap为10kB，它只能分配362字节。这是我的 gcc stub :

int _sbrk(int a)
{
    //align a to 4 bytes
    if (a & 3)
    {
        a += (4 - (a & 0x3));
    }

    extern long __heap_start__;
    extern long __heap_end__;
    static char* heap_ptr = (char*)&__heap_start__;

    if (heap_ptr + a < (char*)&__heap_end__)
    {
        int res = (int)heap_ptr;
        heap_ptr += a;
        return res;
    }
    else
    {
        return -1;
    }
}

__heap_start__ 和 __heap_end__ 是正确的，它们的差异显示正确的区域大小。我在 _sbrk 函数中添加了 debug 以查看在调用此函数时传递了什么 a 参数，并且该参数的值分别与每次调用中的这些值类似:

2552
1708
4096

我该怎么做才能让它使用完整的堆内存？ _sbrk 参数是如何计算的？基本上，这里出了什么问题？

使用 new (std::nothrow) 构建 C++ 代码。

编辑如果我使用 malloc(C 风格)，它会分配 524 个字节并且在 main 之前没有调用 _sbrk，这与使用 operator new 时不同。

arm-none-eabi-g++.exe (GNU Tools for ARM Embedded Processors 6-2017-q2-update) 6.3.1 20170620 (release) [ARM/embedded-6-branch revision 249437]
Copyright (C) 2016 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

EDIT2 最小完整可验证示例
这是我的应用程序代码和带有信息打印的 _sbrk:

void foo()
{
    while (true)
    {
        uint8_t * byte = new (std::nothrow) uint8_t;
        if (byte)
        {
            DBB("Byte allocated");
            cnt++;
        }
        else
        {
            DBB_ERROR("Allocated %d bytes", cnt);
        }
    }
}

int _sbrk(int a)
{
    //align a to 4 bytes
    if (a & 3)
    {
        a += (4 - (a & 0x3));
    }

    extern long __heap_start__;
    extern long __heap_end__;
    static char* heap_ptr = (char*)&__heap_start__;

    DBB("%d 0x%08X", a, a);
    DBB("0x%08X", heap_ptr);
    DBB("0x%08X", &__heap_start__);
    DBB("0x%08X", &__heap_end__);

    if (heap_ptr + a < (char*)&__heap_end__)
    {
        int res = (int)heap_ptr;
        heap_ptr += a;
        DBB("OK 0x%08X 0x%08X", res, heap_ptr);
        return res;
    }
    else
    {
        DBB("ERROR");
        return -1;
    }
}

产生的输出是:

Answer 1

您的输出显示 C++ 内存分配系统首先要求 32 字节，然后要求 132 字节。然后它能够​​用该空间满足对 new uint8_t 的九个请求。据推测，它使用 164 个字节中的一些字节来保存其内部记录。这可能涉及保存分配了哪些 block 的链接列表或映射，或一些其他数据结构。此外，为了提高效率，它可能不跟踪单字节分配，而是为每个分配提供一些最小块大小，可能是 8 或 16 字节。当它用完所需的空间时，它会要求另外 4096 字节。你的 sbrk 然后失败，因为它不可用。

C++ 内存分配系统按设计工作。为了运行，它需要比为单个请求分配的空间更多的空间。为了为请求提供更多内存，您必须在堆中提供更多内存。您不能期望从 sbrk 提供给内存分配系统的内存与从内存分配系统提供给它的客户端的内存之间存在一对一的对应关系，或者任何简单的对应关系。

无法告诉 C++ 内存分配系统使用“完整堆内存”来满足对它的请求。需要跟踪内存的动态分配和释放。由于它的客户端可能会发出不同大小的请求，并可能以任何顺序释放它们，因此它需要能够跟踪当前分配了哪些 block ，哪些没有——一个简单的堆栈是不够的。因此，它必须使用额外的数据结构来跟踪内存，而这些数据结构会占用空间。所以并不是所有的堆空间都可以给clients；其中一些必须用于开销。

如果您的 C++ 实现中内存分配系统的内存使用对于您的目的而言效率太低，您可以将其替换为您自己编写的系统或第三方软件。内存分配系统的任何实现都会对速度和 block 大小进行各种权衡，并且可以针对特定情况和目标进行调整。