动态内存管理及防御性编程

2023-05-16

概述：C语言的优势是可以直接访问内存地址，也就是指针操作，但其缺陷也是因为直接内存访问。如何通过防御性编程提前发现问题，尽可能减少内存异常产生的后果，就是本文的重点。

1、内存划分

一般内存区域划分五段：

**栈区（stack）**有时也称为堆栈，重点在栈字，存放函数内部临时变量

**堆区（heap）**也就是动态申请（malloc）、释放(free)的内存区域

**数据区（data）**初始化的全局变量和静态变量, 占用可执行文件空间；rodata 固定不变const修饰的全局变量，不占内存空间

bss区未初始化的全局变量、静态变量（static关键字描述的）,初始化为全0的全局变量，不占用可执行文件大小

**代码区（text）**程序二进制文件

最终下载的可执行文件包括代码（text）和数据（data）。内存的分配一般如下图：其中堆和栈的地址分配方向相反，栈比较特殊，下面微信公众号【嵌入式系统】以栈空间异常使用为例：

#include <stdio.h>

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

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

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

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

    return 0;
}

运行结果：

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

结合打印的变量地址，栈空间分配如下图，因为数组b的操作越界，导致了变量a的值被覆盖。针对个人情况，一般情况下内存溢出都是使用数组越界，所以在异常值后或者前查看有没数组（全局变量可以查map文件），检查数组的操作是否正确。

除了堆区，其他几个区都是有编译器和系统运行时自动处理的，而堆区由开发者来操作的。这既是便利，也是隐患，一旦操作失误就是内存泄漏或溢出。

2、动态内存管理

在硬件资源固定的情况下，栈和堆的空间此消彼长，合理的定义堆的空间，为不同任务分配合适的栈空间也是至关重要的。以FreeRTOS内核代码为例，《FreeRTOS及其应用》分别解读其5种动态内存，也就是堆的分配方式，其他系统的原理差不多。参考Guide文档 https://www.freertos.org/Documentation/RTOS_book.html Guide

FreeRTOS 内核提供了 5 种内存管理算法，源文件在Source\portable\MemMang 下，使用时选择其中一个。

heap_1.c内存管理方案简单,它只能申请内存而不能进行内存释放。一些低端嵌入式系统并不会经常动态申请与释放内存，在系统启动后申请，一直使用下去，永不释放，适合这种方式，也可近似理解为多个全局小数组合并的使用。

heap_2.c 方案支持申请和释放，但是它不能把相邻的两个小的内存块合成一个大的内存块，随着不断的申请释放，空闲空间会分割为很多小片段，如下图持续申请、释放一定次数，就会出现剩余空间的和较大，但却申请不到内存的情况，如上图剩余空间是900，但无法申请600，因为没有连续的600空间。如果每次申请内存大小都是固定的，就不存在内存碎片问题，但实际不会这样，因此不推荐。

heap_3.c 方案只是封装了标准 C 库中的 malloc()和 free()函数，由编译器提供，需要通过编译器或者启动文件设置堆空间，封装是为了保证线程安全。

heap_4.c 方案是在heap_2.c 基础上，对内存碎片进行了改进。如图E到F，用户释放后，把相邻的空闲的内存块合并成一个更大的块，这样可以减少内存碎片。

heap_5.c 方案在实现动态内存分配时与 heap4.c 方案一样，采用最佳匹配算法和合并算法，并且允许内存堆跨越多个非连续的内存区，也就是允许在不连续的内存堆中实现内存分配，比如做图形显示，可能芯片内部的 RAM 不足，额外扩展SDRAM，这种内存管理方案则比较合适。

一般选用heap_4.c。

3、动态内存防御性编程

内存只申请不释放，运行一段时间会因为内存不足而无法运行，即内存泄露；或者操作的内存区域超出了申请的空间，访问越界即内存溢出，导致各种随机异常。对于内存操作的不稳定因素，如何进行防御性编程，可以在调试阶段发现问题？

简单的说就是内存分配的时候，记录申请内存的函数名（或者扩展加上申请时间），申请内存大小的基础上额外增加空间，在其首尾加入特殊的标志位，释放该内存前对标志位进行校验；如果校验不通过，则将申请该内存的函数名打印出来，表示出现了内存溢出。也支持随时打印当前动态内存的使用情况，查看某些函数申请的内存释放一直未被释放，人工判断是否内存泄露。

下面是完整源码：

//pal_memory.h
#ifndef _PAL_MEMORY_H
#define _PAL_MEMORY_H

//配置是否开启内存记录功能
#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 */

具体实现：

/**********************************************************************
 * 
 * Copyright(c)  embedded-systems rights reserved
 * 
 * Description:
 *        memory management 
 *
 *      [微信公众号: 嵌入式系统]
 * 
 *********************************************************************/
#include <stddef.h>
#include <string.h>
#include "pal_memory.h"

//适配平台内存管理接口
#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;
    //可扩展保存 时间戳 等信息
} memory_record_struct;

//记录申请内存的函数
static memory_record_struct chengj_memory_record[MEMORY_RECORD_COUNT_MAX] = {0};

#endif /* __MEMORY_DEBUG__ */

/*
 *输出未被释放的申请函数名和指针地址
 */
void chengj_pal_memory_record_print(void)
{
#if defined (__MEMORY_DEBUG__)
    uint32_t i = 0;

    for(; i < MEMORY_RECORD_COUNT_MAX; i++)
    {
        if(chengj_memory_record[i].pointer != NULL)
        {
            printf("[%d] %s()\r\n", i, chengj_memory_record[i].func_name);
        }
    }
#endif /* __MEMORY_DEBUG__ */
}

/*
 *malloc
 */
void *chengj_pal_memory_malloc(uint32_t size, const char *func)
{
    void *pv = NULL;
    uint32_t i = 0;
#if defined (__MEMORY_DEBUG__)
    uint8_t *pdata;
#endif

    if(size == 0 || func == NULL)
    {
        return NULL;
    }

#if defined (__MEMORY_DEBUG__)
    size = size + MEMORY_EXTRA_SIZE;
#endif

    pv = PAL_MALLOC(size);

    if(pv == NULL)
    {
        return NULL;
    }
    memset(pv, 0, size);

#if defined (__MEMORY_DEBUG__)

    pdata = (uint8_t *)pv;

    pdata[0] = (size >> 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 < MEMORY_RECORD_COUNT_MAX; i++) //过多不记录
    {
        if(chengj_memory_record[i].pointer == NULL)
        {
            chengj_memory_record[i].func_name = func;
            chengj_memory_record[i].pointer = pv;
            break;
        }
    }
    
    return &pdata[8];

#else

    return pv;

#endif /* __MEMORY_DEBUG__ */

}

/*
 *free
 */
void chengj_pal_memory_free(void **pv)
{
    uint32_t i = 0;
#if defined (__MEMORY_DEBUG__)
    uint32_t size;
    uint8_t *pdata;
    uint8_t error = 0;
#endif

    if(pv == NULL || *pv == NULL)
    {
        return;
    }

#if defined (__MEMORY_DEBUG__)

    pdata = (uint8_t *)(*pv) - 8;
    *pv = (void*)pdata;

    size = ((pdata[0] << 24) | (pdata[1] << 16) | (pdata[2] << 8) | (pdata[3]));

    if(size <= MEMORY_EXTRA_SIZE)
    {
        error = error | 0x01;
    }

    if((pdata[4] != MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD) || (pdata[5] != MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD)\
            || (pdata[6] != MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD) || (pdata[7] != MEMORY_DATA_MAGIC_HEAD))
    {
        error = error | 0x02;
    }

    if((pdata[size - 2] != MEMORY_DATA_MAGIC_TAIL) || (pdata[size - 1] != MEMORY_DATA_MAGIC_TAIL))
    {
        error = error | 0x04;
    }


    for(; i < MEMORY_RECORD_COUNT_MAX; i++)
    {
        if(chengj_memory_record[i].pointer == *pv)
        {
            if(error != 0)
            {
                if(chengj_memory_record[i].func_name != NULL)
                {
                    printf("memory error 0x%02X %s()\r\n", error, chengj_memory_record[i].func_name);
                }
                else
                {
                    printf("memory error 0x%02X %p\r\n", error, *pv);
                }
            }
            memset(&chengj_memory_record[i], 0, sizeof(memory_record_struct));
            break;
        }
    }

    if(error != 0) 
    {
        //ASSERT调试
        return;
    }
#endif /* CY_PAL_MEMORY_DEBUG */

    PAL_FREE(*pv);
    *pv = NULL;

    return;
}

可以测试下效果：

#include "pal_memory.h"

//微信公众号: 嵌入式系统
//申请10字节但使用20字节
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 \r\n");
    test();
    return 0;
}

运行结果：

embedded-system
memory error 0x04 test()

表示test函数内申请的一段内存使用时溢出，尾部标记数据被覆盖。

也可以在memory_record_struct增加时间戳成员，记录内存申请时间，再扩展void chengj_pal_memory_record_print(void) 打印内存使用情况，查看长时间申请未释放的内存使用情况。针对日志信息缩小内存异常的范围，关于软件bug调试与解决，可以参考《嵌入式软件bug从哪来，怎么去》。

4、小节

内存记录调试方法，浪费了一定量的内存空间，而且不能排除问题，只是提早监测到异常，但对软件稳定性仍有较大意义，可以快速解决内存问题。建议只在debug版本启用，正式发布的release版本关闭记录功能。

已剪辑自: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg3OTQ3NDQ2Mg==&mid=2247484804&idx=1&sn=e3d40981b1cf2cceaaacb84901a2d88a&chksm=cf02a7f5f8752ee3b50f37003866440837019d3e080585b5f975dc8c9222cc8b8e044d7955a1&scene=178&cur_album_id=1856108351068143619#rd

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