堆内存的那些事

上一篇我们分享了栈内存的概念，现在我们分享下堆内存的概念。

在一般的编译系统中，堆内存的分配方向和栈内存是相反的。当栈内存从高地址向低地址增长的时候，堆内存从低地址向高地址分配。

在C语言中，堆内存在分配和释放的时候，是程序通过调用C语言的库函数完成的。这和栈内存的分配有区别，栈内存利用的是处理器的硬件机制，而堆内存的处理使用的是库函数。

我们来看下堆内存的分配情况：

在堆内存的分配过程中，每次分配将返回一个当前分配地址的指针。在程序中如果多次分配内存，可以得到多个内存指针，每个内存指针都是本次分配内存的地址。在释放内存的时候，只需要对每个指针进行操作，那个指针所指向的内存就会被释放，而对其他的内存区域没有影响。

从内存的分配和使用上，可以看出栈内存和堆内存的区别：栈内存只有一个入口点，就是栈指针，栈内存压入和弹出的时候栈指针将发生变化，栈指针标识当前栈区域中已使用和未使用的界限，程序在访问栈内存的时候都只能通过栈指针及其偏移量；而堆内存有多个入口点，每次分配得到的指针是访问内存的入口，每个分配内存区域都可以被单独释放，程序对堆内存可以通过每次分配得到的指针访问。

堆内存有一个整体分配的过程，按照向上的堆内存分配方向。随着堆内存使用量的增加，堆内存将逐渐向高地址分配。这只是一个大体的增长的方面，在堆内存中，已使用的区域和未使用的区域是交错的，而不是像栈区域那样有明显的分界线。

堆内存的释放看下面这个图：

看到这样频繁的使用区域和释放，那么很容易看出堆内存是不连续的，跟堆内存的使用方式有关系，这个分配就相对自由灵活了，但是也是会在低地址向高地址发展的方向分配的。

比如上面释放后再分配就可以是下面两种情况：

先看再次分配1的情况：当新分配的需求比中间（刚刚释放）区域小，那么就会在紧接着的区域给分配。

再看再次分配2的情况：当新分配的需求比中间（释放的）区域大，那么只能往后寻求能给的区域。

当频繁的分配和释放内存的过程中，会很容易出现在两块已经分配的内存之间较小的未分配内存区域，这些其实可以用，但是由于他们的空间比较小，不够连续内存的分配，所以分配的时候就很难再次使用，这些较小的内存就是我们常说的内存碎片。

我们再来聊一下在C程序中堆空间的使用。

在C语言中，堆内存区域的分配和释放是通过调用库函数来完成的，实现的函数主要有四个：

void *malloc(size_t size);    //分配内存空间

void free(void *ptr);     //释放内存空间

void *calloc(size_t nmemb,size_t size);  //分配内存空间

void *realloc(void * ptr,size_t size);  //重新分配内存空间

注意：使用上面这几个函数需要包含标准库文件 <stdlib.h>

那么库函数怎么使用呢，内存分配了就要有释放，那么常用的就是malloc()和free()两个函数。malloc()函数的输入是需要分配内存的大小，输出是分配内存的指针。如果分配不成功，则返回NULL。

free()函数的输入是需要释放的指针，可以接受任何形式的指针。这个指针必须是由分配函数分配出来的。

例如：

int *pa;

pa = (int *)malloc(sizeof(int));//分配一个int大小的指针

if(NULL != pa)

{

free(pa);

}

内存使用完成需要释放，以便分配给其他程序使用。

calloc()也是内存分配的，只是可以把分配好的内存区域的初始值全部设置为0。还有这个分配内存有两个参数，第一个是分配单元的大小，第二个是要分配的数目。

malloc(sizeof(unsigned int)*10);   ==     calloc(sizeof(unsigned int),10)

realloc()有两个参数，一个是指向内存的地址指针，一个是要重分配内存的大小，返回值是指向所分配内存的指针。

1、当参数指针为NULL的时候，作为malloc使用，分配内存

2、当重分配内存大小为0的时候，作为free使用，释放内存

3、当指针和重分配内存大小均不为0的时候，根据指针指向的堆内存区域的情况和指针大小重新分配内存。

对于realloc()作为重新分配内存的时候，有三种可能出现：

1、缩小内存

2、扩大内存，不需要移动指针

3、扩大内存，需要移动指针（指定内存区域大小不够）

在堆内存的管理上，主要容易出现以下几个问题：

1、开辟的内存没有释放，造成内存泄漏（系统不会释放任何用户分配的内存）

2、野指针被使用或释放（内存释放后，需要将内存指针置为NULL）

3、非法释放指针（分配了有效内存才存在释放，否则是非法的）

在C语言语法的方面对栈内存和堆内存如何使用没有限制。然后从使用的角度，栈内存更适用于容量较小的单个变量（例如：C语言的基本变量类型、较小的结构体和数组），堆内存则适用于开辟较大块的内存。栈内存由编译器分配和释放，堆内存由程序员分配和释放。

【重磅】在这 一芯难求 各种涨价的时代，STM32G0闪亮登场了........

由于芯片制造工艺的区别，STM32G0被委以重任，撑起一片天，据我从官方了解的情况可以得出一个结论，不管从价格上还是从性能上STM32G0都可以用来代替STM32F0，我们话不多说直接来看看它的区别：

一：我们从外部封装引脚上来看

G0没有F0的100PIN的封装，但是它增加了SO8封装的引脚，这样的话性能很强大，价格很有诱惑力，极具性价比。

二：我们从外设配置资源来看:

1. 内核更高级：F0:Cortex-M0内核，主频高达48MHZ；G0:Cortex-M0+内核，主频高达64MH，主频高，程序运行更快！

2. G0的FLASH存储器方面有缩小，SRAM方面有扩展。

4.  ADC速率更高，F0:ADC时钟频率提高到14Mhz，G0:ADC时钟频率提高到16Mhz，G0的AD模拟采样转换速率更快。举例：（1.5为采样周期，12.5为转换周期）

G0：With ADC_CLK = 16 MHz and a sampling time of 1.5 ADC clock cycles:

Tconv = 1.5 + 12.5 = 14 ADC clock cycles = 0.875 µs

F0：With ADC_CLK = 14 MHz and a sampling time of 1.5 ADC clock cycles:

Tconv = 1.5 + 12.5 = 14 ADC clock cycles = 1 µs

5.  外设资源更丰富，增加了AES加密单元、普通定时器单元、硬件随机数RNG单元、DMA多路复用请求仲裁单元，可编程映射DMA请求，好处是使DMA通道对应的外设更加灵活，不再受限、低功耗串口等，更加安全高效。当然相比之下也有牺牲，比如说全速USB2.0，串口数量、CAN等。

三：我们从系统架构上来瞧瞧看：

1. F0的AHB2总线消失了，引入了新的IOPORT总线，STM32F0的GPIO Ports由总线矩阵通过AHB2总线访问，STM32G0的GPIO Ports直接挂在IOPORT总线上，CPU可直接访问，速度更快！

2. STM32F0的外部中断EXIT模块由总线矩阵通过AHB1总线->（AHB->APB桥）来访问，STM32G0的外部中断EXIT模块由总线矩阵通过AHB1总线直接访问，速度更快！

四：从时钟来看：

由于内核使用区别，两款芯片的RCC时钟也略有区别，如上图所示，主要体现在内部的时钟资源及频率差异，最大主频差异以及复位后的系统时钟频率差异。

五：从电源供电来看

供电电压范围更宽，G0:1.6V-3.6V    F0:1.8V-3.6V，相比之下G0的低功耗睡眠模式更加出色。

六：最后跟大家看一下M0和M0+内核的区别

除了上面展示的内容之外，还有部分区别未展示，比如说中断向量表的内容有改变，G0支持向量表位置重定义、低功耗改善等等、其中不得不提到一点相比F0，G0增加了内部外设的互联功能，通过配置外设中间可直接互联，可以减小CPU额外开销！

STM32的几种开发方式，你都知道吗？

经常有人会问，你们STM32编程是用库函数 还是用寄存器的...会说库函数方便，容易，都用库函数...等等这样的问题，今天我们就来dis一下这几种编程方式，STM32编程目前常见的几种形式如下：

1. 使用标准外设库开发  

2.使用寄存器开  

3.使用CubeMax生成代码工具开发

下面我们先来说一下目前这几种形式的区别：

1.使用标准外设库开发

Stm32标准外设库是stm32官方提供给用户的全系列芯片的外设驱动，官方把单片机外设的功能进行包装，提供给用户一个现成的接口函数，用户不用去管寄存器到底是如何操作的，直接调用接口函数，即可使用这些外设。在这个基础上你直接开发你的应用层程序即可。

这个驱动包名字一般是STM32Fxxx_StdPeriph_Lib_Vx.x.x有了它可以大大加速我们开发stm32。我们以STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0驱动包为例，解压该zip文件，得到如下文件夹和文件
   _htmresc
   Libraries
   Project
   Utilities
   Release_Notes.html
   stm32f10x_stdperiph_lib_um.chm

其中Libraries包含库的源代码，Project包含stm32各个外设的使用范例和一个工程模板，Utilities是使用st公司评估板的例子，stm32f10x_stdperiph_lib_um.chm教我们怎么用标准外设库。

2. 使用寄存器开发

使用寄存器开发，用户需要自己去操作底层外设寄存器，实现想要的外设功能，这个过程是需要自己对照手册，一行一行把代码敲出来的。

3. 使用CubeMax开发

这个是官方提供的图形化的一键生产代码的工具，在这个IDE中我们只要根据你想要的功能，点点鼠标，就可以生成你想要的功能，但是注意这个功能只是你想要的单片机外设配置功能，并不是你的应用程序功能，比如你想要以一个什么样的方式通讯，还是需要你自己去完善的。如下图是图形化开发的界面：

上面我们以简洁明了的描述了三种编程方式的使用方式和编程过程，接下来我们来分析一下这三种方式的优缺点：

第一种方法，官方提供了现成的驱动库，用户可以直接使用，使用起来方便，快捷，开发速度快，相对起来也容易上手一点，但是对底层的寄存器操作原理了解不深，只知其一，不知其二，出了问题，解决起来比较麻烦。且官方的驱动库为了容错性高一些等原因，会引入一些判断机制，相对复杂一些，但是实际上有的东西是我们用不到的，这就会造成代码执行效率会相对低一些。

第二种方法，虽然开发起来相对来说比较慢一些，比较繁琐一些，但是接触的都是真正的底层内容，出了问题，我们也能从源头来快速分析解决问题，而且写的代码中省去了一些不必要的判断过程，执行效率会相对高一些，代码看起来也会清爽一些。

第三种方法，使用IDE开发，这个相比较来讲入门是最快的，不用接触那些库函数接口，也不用去理会那些寄存器操作，只要在图形化的界面上勾选一些选项就可以了，这简直是懒人必备神器啊，但是话说回来，这种开发方式，基本上接触单片机底层内容为0%，只要写应用程序就可以了，出了问题更难解决。如果换了个平台，没有这种方便的IDE，怎么办呢？

上面我们全面分析了STM32的几种编程方式，我认为大家在学习STM32单片机时，应该先从寄存器入手，知其所以然，理解了原理，底层知识之后，可以再拐回头使用标准库，或者IDE，这样效果会更好，你认为呢？

STM32学习回忆录---------第3次写流水灯程序

这是我第3次用STM32写流水灯程序了，感触颇深，想和大家分享我学习STM32的故事。

                 初次相识STM32

2008年春天的第一场雪，来的比往年更大一些，这个春节，我留在深圳，无法回到河南。我在街上乱逛，无意间看到公交站台上的广告，深圳会在春季举办IIC (国际集成电路)大会，那是我刚刚大学毕业，学的是芯片制造专业，所以我决定参加。

到那一天，在会展上，我看到了国外IC的先进制程，心想中国再过几年也会达到这个水平吧。

后来，我看到了一个蝴蝶展厅，那是STM32展馆，我感觉这个芯片不错。这是我和STM32的初次相识。

几年以后，STM32在国内迅速火了起来，因为我的专业在国内很难找到工作，我决定学习STM32。

   第1次学习STM32

培训地点: 河南郑州，时间: 2013年，学习方式：线下。

这是我第1次用STM32写流水灯，也是第一次用库函数，使用的芯片是STM32F103，用库函数的方式写流水灯，终于告别了寄存器，当时认为这是一种先进的方法，因为使用起来相当方便，想着以后单片机就不用查寄存器了，这是单片机历史上的伟大跨越。这个老师的教学方式是直接使用库函数，没有讲过库函数。在学习中，查错是一件让我头痛的事情，没有用过单步仿真，出现问题不知道，错在哪里，库函数固然好用，但库函数无法找出错误。使用printf()，有效果，但效果有限。我的这个老师非常诚实，我有不会的问题，他能给我解决就解决了，解决不了，老师就会说：“这个我也不会” ！

第2次学习STM32

培训地点: 广东深圳，时间: 2016年，学习方式：线下。

这是我第2次用STM32写流水灯，也是用库函数的方式，使用的芯片是STM32F103。这个老师的水平要高一些，他把用到的库函数都讲了一遍，但是很少讲解寄存器。当我写流水灯程序的时候，我不仅会用库函数，而且还能够看懂库函数。当时觉得官方的库函数写的太好了，我不禁为官方点赞！。我问老师，这个启动代码能不能讲一下，老师说：你会用就行了，启动代码官方已经为你写好了，你不用知道为什么，你需要知道哪个是F1 的启动代码就可以了。出现错误的时候，依然没有查看寄存器和变量，用的是printf(),来进行调试，排查错误还是让人头疼。

4月份的时候，我参加了STM32深圳峰会，官方介绍了CubeMx ，并说这是一种比库函数还方便的图形化编程方法，我认为汇编语言过时了，用C语言查寄存器的方法也过时了，现在STM32用的是库函数，但这种方法必将被CubeMx 所代替，因为随着编程技术的不断发展，新的技术必然会取代旧的技术。

随着STM32 学习的深入，我开始学习一些高大上的东西，例如 触摸屏CAN SDIO 文件系统 USB等，难度太大了，我陷入其中，无法自拔。

第3次学习STM32

培训地点: 河南老家，时间2021年，学习方式：线上。

学了单片机两个月了，以流水灯为例，学到了前两次所没有学到的东西，因此感悟大不相同。

1. 对寄存器的操作，就是往正确的地址写或读正确的数据。有点像送快递的，找到地址送或收快递。

2. 能够被编译器发现的错误，解决比较容易，而能通过编译，却不能实现期望的功能，这种错误往往要费点时间，这个需要单步仿真，查看寄存器或变量值，此便对错误进行定位，因此必须缩小代码的范围，从工程到文件，到函数，到语句，这个有点像修电路板，从电路板到单元电路，最终找到坏的那个元器件。有些情况下，即便通过单步调试，但当整个程序运行时，还是无法实现功能。这时，还要对程序进行优化，直到实现期望的功能。自己的程序出现错误，自己检查几遍都检查不出来，但是交给别人，别人很快就能找到问题，可是问题来了，自已必须具备查错的能力，因为别人不可能总为你查错。

3.即然编译器可以把C语言翻译为汇编语言，那么写程序的人也能够这样，汇编语言有一定的难度，不是面向人的，那么就可以用面向人的C语言，去翻译成汇编语言，用C语言作为桥梁，就可以大大降低难度。不得不承认，汇编语言在一些场合，还是要用到的，无法替代，例如有的8位单片机，或者FOC中。以前，我认为学习单片机，跳过汇编语言，跳过寄存器，是一种好的方法，但事实并非如此！而操作寄存器是一种通用的方法，不受库函数的依赖，换了单片机，依旧可以很快上手！

我感觉这两个月确实收获很大,报这个单片机线上班我觉得很值,比前两个靠谱多了，因为我发现：我再也不用走弯路了!

                                                                   河南学员

   2021/3/26

常见的内存错误及对策

对于用C或C++除了考虑上层应用，还需要考虑底层的内存管理，或者说内存泄漏的问题。

1、指针没有指向一块合法的内存

定义了指针变量，但是没有为指针分配内存，即指针没有指向一块合法的内存。

①结构体成员指针未初始化

定义一个结构体变量，但是结构体内部定义了指针成员，往往应用结构体变量的时候如果不给这 个成员指向一个合法的地址只是给成员分配了字节数，应用的时候对应内存的区域指针成员是无权 访问的，所以需要对结构体分配内存，结构体成员中指针变量也要分配内存，否则访问不到有效地 址。

②没有为结构体指针分配足够的内存

分配内存的时候，分配的内存大小不合适，比如开辟内存空间时sizeof(struct stu)误写为sizeof(struct stu *)，书写错误会导致开辟空间不正确。

③函数的入口校验

不管什么时候，我们使用指针之前一定要确保指针是有效的。一般在函数入口处使用         assert （NULL !=p）对参数进行校验。在非参数的地方使用if(NULL != p)来校验。但这都有一个要求，也就 是p在定义的同时被初始化为NULL，如果没有被初始化为NULL，那么校验也起不了作用，没有被 初始化的指针变量，内部是一个非NULL的乱码

assert是一个宏，而不是函数，包含在assert.h头文件中。如果其后面括号里的值为假，则程序终 止运行，并提示出错；如果后面括号里的值为真，则继续运行后面的代码。

2、为指针分配的内存太小或内存访问越界

为指针分配了内存，但是内存大小不够，导致出现越界错误。

通常这种问题都会出现在我们容易忽略的字符串常量中，往往会忘记结束标志“”，在开辟内存的时候sizeof计算中需要把结束标志加上，还有计算分配空间大小的时候最好用sizeof来操作，移植性也好。

再有内存分配成功，且已经初始化，但是操作越过了内存的边界。

这种错误经常是由于操作数组或者指针时出现“多1”或“少1”而出现的。比如：

for（int i = 0; i < = 10;i++）

一般for循环的循环变量一定要使用半开半闭的区间，而且如果不是特殊情况，循环变量尽量从0开始。

3、内存泄漏

内存泄漏几乎是很难避免的，不管是老手还是新手，都存在这个问题。甚至包括Windows、Linux这类软件，都或多或少有内存泄漏。也许对于一般的应用软件来说，这个问题似乎不是那么突出，重启一下也不会造成太大损失。但是如果你开发的是嵌入式系统软件，比如汽车制动系统、心跳起搏器等对安全要求非常高的系统，你总不能让心脏起搏器重启吧。

会产生内存泄漏的内存就是堆上的内存，也就是由malloc系列函数或new操作符分配的内存。如果用完没有及时free或delete，这块内存就无法释放，直到整个程序终止。

malloc是一个函数，专门用来从堆上分配内存，malloc函数的返回值是一个void类型的指针，参数是申请分配的内存大小，内存分配成功后，malloc函数返回这块内存的首地址，需要一个指针来接收这个地址，那么申请了就能成功吗？不一定的，如果所申请的内存块大于目前堆上剩余内存块，则内存分配失败，函数返回NULL。我们需要知道内存申请分配是连续的一块内存，如果剩余内存不够返回就是空，那么我们可以用校验的方式（if(NULL != p)）来验证是否分配成功。当然也可以申请0字节内存，返回不是NULL，是一个正常的内存地址，但是你却无法使用这块大小为0的内存，这就好比尺子上的某个刻度，刻度本身并没有长度，只有某两个刻度一起才能量出长度。

再来说下内存释放，既然有分配，就有释放，不然的话，有限的内存总会用光，而没有释放的内存却在空闲。与malloc对应的就是free函数了。free函数只有一个参数，就是所要释放的内存块的首地址，比如：free(p);这个函数主要是让指针变量和这块内存脱离关系，从此这个指针变量和分配过的这快内存没有关系了，那么指针变量p本身保存的地址并没有改变，但是它对这个地址处的那块内存却已经没有所有权了。释放后，那块内存里面保存的值并没有改变，只是再也没有办法使用了。

需要记住一点malloc和free是匹配使用的，如果多写两次malloc或者free都会出错。

再有内存释放之后需要给指针变量赋值为NULL，如果没有把指针置NULL，这个指针就成为了野指针，这是很危险的，也是经常出错的地方。

4、内存已经被释放了，但是继续通过指针来使用

一般会有以下三种情况：

①就是上面所说的，free(p)之后，继续通过p指针来访问内存，解决的办法就是给P指NULL。

②函数返回栈内存，这是初学者最容易犯的错误。比如在函数内部定义了一个数组，却用return 语句返回指向该数组的指针。解决的办法就是弄明白栈上变量的声明周期。

③内存使用太复杂，弄不清到底哪块内存被释放，哪块没有释放。解决的办法是重新设计程序，改善对象之间的调用关系。

写程序就是要多练习，多调试代码，同时多总结经验，少走弯路。共勉。