arduino简单string入门——碎片与内存使用

两个字符串内存问题——碎片和额外内存使用

内存碎片并不是您想象中的问题。使用 String reserve() 和 StringReserveCheck 并遵循上述指南可消除内存碎片。
通过将字符串参数作为 String& 传递并避免创建临时字符串，可避免额外的内存使用。

内存碎片化——并非你所认为的问题

Arduino 字符串使用堆内存来存储文本。当长寿命字符串分配的内存高于短寿命字符串时，就会发生碎片。当短寿命字符串用完并被丢弃时，它会留下一个空洞。微处理器内存管理器会跟踪其堆 FreeList 中的这些空洞并尝试重用它们，但如果程序扩大了很多大的长寿命字符串，并创建了一些小的短寿命字符串，内存最终会出现很多空洞，从而耗尽堆，下次字符串需要堆内存或函数调用需要堆栈内存时，程序就会失败。但是，正如您将在下面看到的，在 UNO 和 Mega2560 上使用字符串，即使内存不足也不会出现问题。其他现代微处理器，如 nRF52、ESP8266 和 ESP32，拥有更多的内存，如果您按照上面的步骤 1 到 7 操作，就不会遇到任何问题。

本节将涵盖以下主题：-
使用字符串检查小程序的堆分配。
说明如何创建堆“漏洞”以及为什么这通常不是问题。
使用 StringReserveCheck 查找并删除漏洞。
当 UNO 和 Mega2560 用尽堆内存时会发生什么。（实际上没什么）
ESP32 和 ESP8266 内存不足。（如果您有一个 Web 项目，这很可能不是您的错）

除非另有说明，以下所有示例均在 UNO 上运行。

检查使用字符串的小程序的堆分配。

String string1;
String string2;
String string3;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  for (int i = 10; i > 0; i--) {
    Serial.print(i); Serial.print(' ');
    delay(500);
  }
  Serial.println();
  Serial.println(F("Memory Non-Fragementation Example 1"));
  string1.reserve(32);
  string2.reserve(32);
  if (!string3.reserve(32)) { // check the last largest reserve
    while (1) { // stop here and print repeating msg
      Serial.println(F("Strings out-of-memory"));
      delay(3000); // repeat msg every 3 sec
    }
  }
}

void printDegC(float value, String& result) {
  String title = F("Temperature ");
  String units = F("degC");
  formatResult(title, units, value, result);
}
void formatResult(const String& title, const String& units, float value, String& result) {
  result = title;
  result += String(value, 1); //temp to 1 decimal only
  result += units;
}

void loop() {
  float temp = 27.35;
  printDegC(temp, string2);
  Serial.println(string2);
  Serial.println(F(" -- loop() returns --")); Serial.println();
}

 

堆和栈的区别
1申请方式
栈：由系统自动分配。例如在声明函数的一个局部变量int b，系统自动在栈中为b开辟空间。
堆：需要程序员自己申请，并指明大小，在C中用malloc函数；在C++中用new运算符。
2申请后系统的响应
栈：只要栈的剩余空间大于所申请的空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。
堆：操作系统有一个记录空间内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆节点，然后将节点从内存空闲节点链表中删除，并将该节点的空间分配给程序。对于大多数操作系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的对节点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动地将多余的那部分重新放入到链表中。
3申请大小的限制
栈：在Windows下，栈是向低地址拓展的数据结构，是一块连续的内存的区域。站定地址和栈的大小是系统预先规定好的，如果申请的内存空间超过栈的剩余空间，将提示栈溢出。
堆：堆是向高地址拓展的内存结构，是不连续的内存区域。是系统用链表存储空闲内存地址的，不连续。
4申请效率的比较
栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员无法控制。
堆：由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片，不过用起来方便。 拓展：在Windows操作系统中，最好的方式使用VirtualAlloc分配内存。不是在堆，不是在栈，而是在内存空间中保留一块内存，虽然用起来不方便，但是速度快，也很灵活。
5堆和栈的存储内容
栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数的中的下一条指令（函数调用的下一个可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数。在C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数的局部变量。静态变量不入栈。
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容由程序员安排。 数据结构方面的堆和栈与上边叙述不同。这里的堆是指优先队列的一种数据结构，第一个元素有最高的优先权；栈实际就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。
总结： （1）heap是堆，stack是栈； （2）stack的空间由操作系统自动分配/释放，heap上的空间手动分配/释放； （3）stack空间有限，heap是很大的自由内存区； （4）C中的malloc函数分配的内存空间即在堆上，C++中对应的是new操作符。 程序在编译对变量和函数分配内存都在栈上进行，且内存运行过程中函数调用时参数的传递在栈上进行。

 

注意事项： a) 当 string1、string2 和 string3 在setup()
中保留了额外的内存时，它们会在堆的更高位置重新分配并留下一个 12 字节的小空洞。b ) 当执行 formatResult ()时，12 字节空洞的一部分已被printDegC()中创建的 String单元重用。标题字符串太大，被分配到堆的更高位置，String(value,1)创建的 String 也是如此。c ) 方法调用及其局部变量导致使用更多的堆栈。（即堆栈末尾向下移动）d)非常重要：当printDegC()方法调用返回到loop() 时， 在方法调用中进行的所有堆栈和 String 堆分配都将被完全恢复。剩下的唯一“空洞”是来自 reserve() 的初始 12 字节空洞。

摘要：如果预先保留了长寿命的字符串，则字符串的使用是完全稳定的，结果字符串通过引用传递，并且任何其他字符串都是在方法中创建的，因此当方法返回时它们的内存会被完全恢复。

说明如何创建堆“洞”以及为什么这通常不是问题。

一个示例MemFrag_ex2.ino 它与 MemFrag_ex1.ino 相同，只是printDegC() 现在具有更长的标题，超过 32 个字符

void printDegC(float value, String& result) {
   String title = F("这是锅炉房的温度"); 
  String unit = F("degC"); 
  formatResult(title, units, value, result); 
}

UNO 上的输出是

内存无碎片示例 2
这是锅炉房的温度 27.4 摄氏度
 -- loop() 返回 --

这是锅炉房的温度 27.4 摄氏度
 -- loop() 返回 –

MegFrag_ex2 的 UNO 内存 SRAM 如下所示

 

注意事项：
a) string2 的保留空间不再足以容纳较长标题的结果。b
)

当执行 formatResult()时，string2 会重新分配更多空间，到堆顶部的一些空间，以容纳较长的标题。c
)

方法调用及其局部变量导致使用更多的堆栈。（即堆栈末尾向下移动），但由于 string2 的重新分配，留下了 2 个额外的空洞。d
)

非常重要：草图自动处理较大的标题并继续运行并且完全稳定。虽然有额外的空洞，但如果其他字符串适合这个空洞，那么该内存可供其他字符串使用。如果您使用低级 c 字符串方法（如 strcat、strcpy 和 char[]），程序将会崩溃，因为标题超出了分配的 char[] 空间。

摘要：如果有足够的内存，即使初始储备不够大，String 草图仍会继续稳定运行。另一方面，使用 char[] 和 c-string 方法的草图会崩溃。正如我们将在下面看到的，在 UNO 和 Mega2560 上，即使内存不足，草图仍会继续运行。而在其他微处理器上，更大的可用 SRAM 使得一次重新分配发生内存不足的可能性大大降低。