嵌入式C语言面试相关知识——内存管理（不定期更新）

news2024/11/23 12:30:23

一、博客声明

又是一年一度的秋招，怎么能只刷笔试题目呢，面试题目也得看，想当好厂的牛马其实也不容易呀O(∩_∩)O。注意：这篇博客大部分是来自网上的资源，通过自问或者他问，然后寻找答案，为了加深印象，总结和抄一遍。

嵌入式系统中的内存布局分为5个部分：*栈(Stack)、堆(Heap)、BBS段(Block Started by Symbol)、数据段(Data Segment)、代码段(Text Segment) 。 其描述可以看下面这幅图片。
在这里插入图片描述

栈(Stack)： 用于函数调用时局部变量和函数调用信息，从高地址向低地址增长。栈的大小和生命周期由编译器在编译时确定，通常在程序启动时就分配好了。
堆(Heap)： 用于动态内存分配，从低地址向高地址增长。在程序运行时，需要通过函数如malloc() 和 free() 来动态分配和释放内存。
BSS段(Block Started by Symbol)： 用于存放未初始化的全局变量和静态变量。在程序运行前会将这些变量初始化位0或者空指针。
数据段(Data Segment)： 存放已经初始化的全局变量和静态变量，在程序运行前就已经分配好了内存空间。
代码段(Text Segment)： 存放程序的机器指令，通常是只读的。通常包括程序的执行代码，如函数、循环、条件语句等。

动态内存分配需要注意四个问题，分别是内存碎片、内存泄漏、实时性和资源受限。

内存碎片： 内存碎片分为了内部碎片和外部碎片：
- **内部碎片： ** 分配的内存块比实际需要的内存大，未使用的部分称为内部碎片。
- **外部碎片： ** 多个小的内存块之间存在未使用的空间，无法被利用。
减少内存碎片的方法：
- 使用固定大小的内存块： 分配固定大小的内存块，避免大小不一的内存分配。
- 内存池： 使用内存池进行内存分配和释放，减少碎片。
- 紧凑算法： 在适当的时候进行内存紧凑，合并小块内存。

内存池： 是一种管理内存分配和释放的技术，其核心思想就是预先分配一定数量的内存块，然后在程序运行期间重复使用这些内存块，而不是动态地分配和释放内存。内存池常用于需要频繁进行小块内存分配和释放的场景。
特点和优势：
- 提高性能： 避免了频繁的动态内存和释放操作，减少内存碎片的产生，从而提高了内存分配和释放的效率。
- 减少内存碎片： 由于内存池预先分配了一定数量的内存块，这些内存块的大小是固定的，或者按照需求配置，因此能有效地减少内存碎片的产生。
- 简化管理： 内存池可以有程序员精准地控制和管理，避免了内存管理带来的不确定性和性能消耗。
- 实时性： 在需要实时性较高的系统重，内存池可以提前分配和初始化内存块，减少了运行时不可预测的延迟。
工作原理： 通常由 内存块池、分配算法和回收机制 三部分组成。
- 内存块池： 预先分配一定数量的内存块集合，每个内存块大小固定或者按需求配置。
- 分配算法： 用于从内存块池中分配内存块的算法，通常是一种简单的分配策略。如首次适配，最佳适配。
- 回收机制： 用于将不再使用的内存块放回到内存池中，以便下次重复使用。

栈溢出的原因：
- 递归调用： 过深的递归调用会导致栈空间被耗尽。
- 过大的局部变量： 在栈上分配过大的局部变量（如大数组）会导致栈溢出。
- 不合理的栈大小设置： 初始化时分配的栈空间不足。
检测和避免栈溢出的方法：
- 堆栈监控： 使用工具或者手动在栈顶放置哨兵值，监控栈的使用情况。
- 合理分配栈空间： 根据系统需求合理的设置栈的空间大小。
- 避免使用深度递归： 使用循环替代递归，避免深度递归调用。
- 将大变量放在堆上： 堆的空间比较大，因此可以将需要大量内存的变量放在堆上，缓解栈的压力。

内存对齐： 是指数据在内存中的地址按照特定的边界排列。例如，4字节对齐表示数据地址必须是4的倍数。
原因：
- 硬件要求： 某些处理器要求数据按照特定的边界对齐，否则导致异常或性能下降。
- 性能优化： 对齐数据可以提高内存的访问效率，减少CPU访问内存的次数。
- 异常报错： 对某些严格要求的系统架构，如果不按要求对齐，会发生异常报错乃至系统崩溃。

malloc： 在堆上分配指定大小的内存块，返回指向该内存块的指针。如果返回失败，返回NULL。
free： 释放malloc分配的内存块，将其归还给内存池供以后使用。
工作原理：
- malloc： 从堆上找到一个足够大的空闲内存块，标记为已使用，并返回该内存块的指针，如果没有合适的内存块，会尝试向操作系统请求更多的内存。
- free： 将指定的内存块标记为可用，并尝试合并相邻的空闲块以减少碎片。