為什麼動態記憶體分配不受歡迎？

記憶體的動態配置（Dynamic Memory Allocation）是指在程式執行過程中根據需要分配記憶體的一種方法。在C語言中，malloc和calloc，而在C++中則使用new運算子來實現這一功能。
然而，在嵌入式系統或即時系統的開發中，動態記憶體配置經常會被避開。
本文將探討其原因。

那麼，它是怎麼運作的呢？

遵循傳統的格言 「讀源碼」，我們來看看實際的源碼。作為最簡單的實現之一，我們將關注使用於元祖Arduino的針對AVR微控制器的malloc實現。

AVR用libc的malloc的實現

malloc的基本操作

malloc從堆區域（用於動態配置的記憶體區域）中分配所要求大小的記憶體區塊。
堆的可用空間是以列表結構進行管理的。malloc會遍歷這個列表，找到適合要求大小的空閒記憶體區塊並進行分配，剩餘的部分則作為新的空閒區塊被加入列表中。

這裡簡單介紹了一下，實際上，存在為了尋找最佳空閒空間的更智慧的實現，詳細資訊請參見源碼。

free的基本操作

free用於釋放通過malloc分配的記憶體區塊。被釋放的區塊會重新加入堆的空閒區域列表中。
此外，如果存在相鄰的空閒區塊，則會將它們合併成一個更大的空閒區塊。

那麼為什麼會被嫌棄呢？

記憶體碎片化

透過動態的記憶體分配和釋放，堆區域可能被細分，導致可用的大連續記憶體區塊不足。

我們來看一個實例。元祖Arduino Duemilanove（搭載ATmega328P）擁有2KB的SRAM，去掉堆疊和其他區域後，堆可用的最大空間約為1800位元組。

首先，以下代碼可以正常運行。

// 分配1600位元組的記憶體
void* a = malloc(1600);
Serial.print("a = ");
Serial.println((uint16_t)a);

輸出：
a = 512

成功分配了1600位元組的記憶體。雖然佔用了SRAM的大部分，但並不成問題。

接下來，我們執行以下代碼。

// 分配1000位元組的記憶體
void* b = malloc(1000);
Serial.print("b = ");
Serial.println((uint16_t)b);

// 分配1位元組的記憶體
void* c = malloc(1);
Serial.print("c = ");
Serial.println((uint16_t)c);

// 釋放最初分配的記憶體（1000位元組）
free(b);

// 分配1200位元組的記憶體
void* d = malloc(1200);
Serial.print("d = ");
Serial.println((uint16_t)d);

輸出：
b = 512
c = 1514
d = 0

儘管實際上只用了1位元組，但1200位元組的記憶體分配失敗。這是因為堆區域碎片化如下所示：

+-------------------+
|                   |
|   1000位元組空閒  |
|（分配給b的區域）  |
|                   |
+-------------------+
|   1位元組使用中    |
|（分配給c的區域）  |
+-------------------+
|                   |
|    剩餘空閒區域    |
|    約800位元組     |
|                   |
+-------------------+

如您所見，並不存在1200位元組的連續空閒區域，因此malloc(1200)失敗。

在這種簡單的情況下處理起來還算容易，但在實際應用中，記憶體的配置和釋放會變得複雜，因此可能會產生難以預測的記憶體碎片化。

在當今的豐富環境中，虛擬記憶體和垃圾回收的存在使得這並不成為太大問題，但在資源有限的嵌入式系統中，記憶體碎片化卻是一個嚴重的問題。