# 内存优化

[English]

固件应用程序的可用 RAM 在某些情况下可能处于低水平，甚至完全耗尽。为此，应调整这些情况下固件应用程序的内存使用情况。

固件通常需要为内部 RAM 保留备用空间，用于应对非常规情况，或在后续版本的更新中，适应 RAM 使用需求的变化。

## 背景

在进行 ESP-IDF 的内存优化前，应了解有关 ESP32-C3 内存类型的基础知识、C 语言中静态和动态内存使用的区别、以及 ESP-IDF 中栈和堆的使用方式。以上信息均可参阅 堆内存分配。

## 测量静态内存使用情况

idf.py 工具可用于生成应用程序静态内存的使用情况报告，请参阅 测量静态数据大小。

## 测量动态内存使用情况

ESP-IDF 包含一系列堆 API，可以在运行时测量空闲堆内存，请参阅 堆内存调试。

备注

在嵌入式系统中，除 RAM 使用总量外，也应重点关注堆碎片化问题。堆测量 API 提供了一些方法，可以测量最大空闲内存块。通过监测最大空闲内存块和总空闲字节数，可以快速了解是否存在堆碎片化问题。

## 静态内存优化

- 降低应用程序的静态内存使用，会增加运行时堆的可用 RAM 空间，反之亦然。

- 优化静态内存使用通常需要监测 `.data` 和 `.bss` 的大小，有关工具请参阅 测量静态数据大小。

- 在 C 语言中，ESP-IDF 内部函数不会占用大量静态 RAM。在多数情况下（例如 Wi-Fi 库和蓝牙控制器），静态缓冲区仍从堆中分配。然而，这些分配只在功能初始化阶段进行一次，并在功能去初始化时释放，从而在应用程序生命周期中，优化不同阶段的可用内存。

要实现静态内存优化，请执行以下操作：

- 由于常量数据可以存储在 flash 中，不占用 RAM，建议尽量将结构体、缓冲区或其他变量声明为 `const`。为此，可能需要修改固件参数，使其接收 `const *` 参数而非可变指针参数。以上更改还可以减少某些函数的栈内存使用。

- 若使用 Bluedroid，请设置 CONFIG_BT_BLE_DYNAMIC_ENV_MEMORY 选项，Bluedroid 将在初始化时分配内存，并在去初始化时释放内存。这并不一定会降低内存使用峰值，但可以将使用静态内存改为运行时使用动态内存。

- 若使用 OpenThread，请设置 CONFIG_OPENTHREAD_PLATFORM_MSGPOOL_MANAGEMENT 选项，OpenThread 将从外部 PSRAM 中分配消息池缓冲区，从而减少对内部静态内存的使用。

## 确定栈内存大小

在 FreeRTOS 操作系统中，任务栈通常从堆中分配。每个任务的栈大小固定，且会作为参数传递给 `xTaskCreate()`。每个任务可用的栈内存不得超过为其分配的栈内存大小，否则将导致栈内存溢出或堆内存损坏，使原本可用的程序崩溃。

因此，确定每个任务栈内存的最佳大小、最小化每个任务栈内存大小、以及最小化任务栈内存的整体数量，都可以大幅减少 RAM 的使用。

### 栈溢出检测的配置选项

#### 硬件栈保护

硬件栈保护是一种检测栈溢出的可靠方法，通过硬件的辅助调试模块来监视 CPU 的栈指针寄存器。如果栈指针寄存器超出了当前栈的边界，则立即触发紧急情况提示（更多详细信息，请参阅 硬件堆栈保护）。可以通过 CONFIG_ESP_SYSTEM_HW_STACK_GUARD 选项启用硬件栈保护。

#### 栈末尾监视点

栈末尾监视点将 CPU 监视点放置在当前栈的末尾。如果该字被覆盖（例如栈溢出），则会立即触发紧急情况提示。在未使用调试器的监视点时，可以设置 CONFIG_FREERTOS_WATCHPOINT_END_OF_STACK 选项，启用栈末尾监视点功能。

#### 栈 canary 字节

栈 canary 字节功能在每个任务的栈末尾添加一组魔术字节，并在每次上下文切换时检查这些字节是否已更改。如果这些魔术字节被覆盖，则会触发紧急情况提示。可以通过 CONFIG_FREERTOS_CHECK_STACKOVERFLOW 选项启用栈 canary 字节功能。

备注

使用栈末尾监视点或栈 canary 字节时，栈指针可能在栈溢出时跳过监视点或 canary 字节，损坏 RAM 的其他区域。因此，上述方法并不能检测所有的栈溢出。

推荐启用默认选项 CONFIG_ESP_SYSTEM_HW_STACK_GUARD，避免这个缺点。

### 任务运行时确定栈内存大小的方法

- 调用 `uxTaskGetStackHighWaterMark()` 会返回任务整个生命周期中空闲栈内存的最小值（以字节为单位），从而较好地显示出任务未使用的栈内存量。注意：在 ESP32-C3 上，该函数返回字节数（而不是标准 FreeRTOS 文档中所述的字数）。

  - 从任务本身内部调用 `uxTaskGetStackHighWaterMark()` 是调用该函数最容易的方式：在任务达到其栈内存使用峰值后，调用 `uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL)` 获取当前任务的高水位标记，换言之，如果有主循环，请多次执行主循环来覆盖各种状态，随后调用 `uxTaskGetStackHighWaterMark()`。

  - 通常可以用任务的栈内存总大小减去调用 `uxTaskGetStackHighWaterMark()` 的返回值，计算任务实际使用的栈内存大小，但应留出一定的安全余量，应对运行时栈内存使用量的小幅意外增长。

- 调用 `uxTaskGetSystemState()` 来获取系统中所有任务的摘要，包括各栈内存的高水位标记值。

## 减少栈内存大小

- 避免占用过多栈内存的函数。字符串格式化函数（如 `printf()`）会使用大量栈内存，如果任务不调用这类函数，通常可以减小其占用的栈内存。

  - 使用实验性的选项 使用 Picolibc 替代 Newlib 可以显著减少 `printf()` 调用的堆栈使用量。

  - 启用 Newlib Nano 格式化，可以在任务调用 `printf()` 或其他 C 语言字符串格式化函数时，减少这类任务的栈内存使用量。

- 避免在栈上分配大型变量。在 C 语言声明的默认作用域中，任何分配为自动变量的大型结构体或数组都会占用栈内存。要优化这些变量占用的栈内存大小，可以使用静态分配，或仅在需要时从堆中动态分配。

- 避免调用深度递归函数。尽管调用单个递归函数并不一定会占用大量栈内存，但若每个函数都包含大量基于栈的变量，那么调用这些函数的开销将会很高。

### 减少任务数量

合并任务。如果从未创建某个特定任务，就不会分配该任务的栈内存，从而极大减少 RAM 使用。如果某些任务可以与另一个任务合并，通常可以将不必要的任务删除。在应用程序中，如果满足以下条件，通常可以合并或删除任务：

- 任务所执行的内容可以按顺序分解为多个函数调用。

- 任务所执行的内容可以分解为较小的工作，这些工作可以通过 FreeRTOS 队列或类似机制串行化，并由工作任务执行。

### 内部任务栈内存大小

为进行系统维护，或操作系统功能，ESP-IDF 分配了许多内部任务，一部分在启动过程中创建，一部分在初始化特定功能时创建。

为了确保支持所有常见的使用模式，这些任务栈内存的默认设置值较大。ESP-IDF 支持配置栈内存大小，因此可以减小任务栈内存，匹配其实际运行时的栈内存使用情况。

重要

如果内部任务的栈内存设置得过小，可能会导致 ESP-IDF 发生无法预测的崩溃。即使任务栈内存溢出是导致崩溃的根本原因，在调试过程中也很难确定具体原因。因此，建议特别关注任务在负载高时的高水位标记，在必要情况下，谨慎减小内部任务的栈内存大小。如果在减小内部任务堆内存大小后，仍遇到问题，请在报告中提供以下信息，以及正在使用的具体配置。

- 运行主任务 的栈内存大小为 CONFIG_ESP_MAIN_TASK_STACK_SIZE。

- 系统任务 ESP 定时器（高分辨率定时器） 用于执行回调函数，其栈内存大小为 CONFIG_ESP_TIMER_TASK_STACK_SIZE。

- 部分 FreeRTOS 定时器任务用于处理 FreeRTOS 定时器回调，其栈内存大小为 CONFIG_FREERTOS_TIMER_TASK_STACK_DEPTH。

- 系统任务 事件循环库 用于执行默认系统事件循环回调，其栈内存大小为 CONFIG_ESP_SYSTEM_EVENT_TASK_STACK_SIZE。

- TCP/IP 任务 lwIP 的栈内存大小为 CONFIG_LWIP_TCPIP_TASK_STACK_SIZE。

- 蓝牙® API 的栈内存大小为 CONFIG_BT_BTC_TASK_STACK_SIZE，CONFIG_BT_BTU_TASK_STACK_SIZE。

- NimBLE-based Host APIs 的栈内存大小为 CONFIG_BT_NIMBLE_HOST_TASK_STACK_SIZE。

- 以太网驱动程序会创建任务，用于使 MAC 接收以太网帧，在默认配置 `ETH_MAC_DEFAULT_CONFIG` 下，任务栈内存大小为 4 KB。在初始化以太网 MAC 时，传递自定义 `eth_mac_config_t` 结构体可以更改此设置。

- FreeRTOS 空闲任务栈内存大小由 CONFIG_FREERTOS_IDLE_TASK_STACKSIZE 配置。

- 使用 ESP-MQTT 组件时会创建一个任务，其栈内存大小由 CONFIG_MQTT_TASK_STACK_SIZE 配置。MQTT 栈内存大小也可以使用 `esp_mqtt_client_config_t` 结构体中的 `task_stack` 字段配置。

- 有关使用 `mDNS` 时内存优化的详细信息，请参阅 优化内存使用。

备注

除 ESP 定时器等内置系统功能外，若固件应用程序没有初始化 ESP-IDF 中特定功能，则不会创建相关任务。此时，相关任务的栈内存使用量为零，而这些功能没有与之关联的任务，因此无需考虑其栈内存大小配置。

## 堆内存优化

有关分析运行时堆内存使用的函数，请参阅 堆内存调试。

通常，堆内存优化包含以下几个方面：分析堆内存使用情况、撤回未使用的 `malloc()` 调用、缩小相应的内存使用大小、或提早释放先前分配的缓冲区。

以下是一些 ESP-IDF 配置选项，有助于在运行时实现堆内存优化：

- lwIP 文档中的有关章节介绍了如何配置 最小内存使用。

- Wi-Fi 缓冲区使用情况 中介绍了一些选项，这些选项可以减少对静态缓冲区的使用，或减少运行时动态缓冲区的最大数量，从而最小化内存使用，但可能会影响性能。注意，Wi-Fi 初始化时，仍会从堆中分配静态 Wi-Fi 缓冲区，并在 Wi-Fi 去初始化时释放这些缓冲区。

- 部分 Mbed TLS 配置选项也可用于堆内存优化，详情请参阅 减少内存使用 的 Mbed TLS 部分。

备注

如果将某些配置选项更改为非默认值，也会增加运行时的堆内存使用。这类选项未在上文中列出，但配置选项的帮助文档中给出了相应说明。

## IRAM 优化

程序运行时，由于使用了静态 IRAM，用于堆内存使用的 DRAM 会相应减少。反之，可以通过减少 IRAM 使用，增加可用 DRAM。

如果应用程序分配的静态 IRAM 超过可用上限，应用程序将无法构建，并出现链接器错误，如 `section '.iram0.text' will not fit in region 'iram0_0_seg'`、`IRAM0 segment data does not fit` 以及 `region 'iram0_0_seg' overflowed by 84-bytes`。如果发生这种情况，应找到减少静态 IRAM 使用的方法，链接应用程序。

要分析固件应用程序二进制文件中的 IRAM 使用情况，请使用 测量静态数据大小。如果固件应用程序链接失败，请参阅 Showing Size When Linker Fails 中的步骤，分析失败原因。

要对某些 ESP-IDF 功能进行 IRAM 优化，请使用以下选项：

- 如果已启用 CONFIG_FREERTOS_IN_IRAM，请将其禁用，以便将 FreeRTOS 函数放置在 flash 中而不是 IRAM 中。默认情况下，FreeRTOS 函数已经被放置在 flash 中以节省 IRAM。

- 如果已启用 CONFIG_RINGBUF_IN_IRAM，请将其禁用，以便将环形缓冲区函数放置在 flash 中而不是 IRAM 中。默认情况下，环形缓冲区函数已经被放置在 flash 中以节省 IRAM。

- 启用 CONFIG_RINGBUF_PLACE_ISR_FUNCTIONS_INTO_FLASH。如果从 IRAM 中的中断上下文中使用 ISR ringbuf 函数，例如启用了 CONFIG_UART_ISR_IN_IRAM，则无法安全使用此选项。在此情况下，安装 ESP-IDF 相关驱动程序时，将在运行时报错。

- 禁用 Wi-Fi 选项 CONFIG_ESP_WIFI_IRAM_OPT 和/或 CONFIG_ESP_WIFI_RX_IRAM_OPT 会释放可用 IRAM，但会牺牲部分 Wi-Fi 性能。

- 启用 CONFIG_SPI_FLASH_ROM_IMPL 选项可以释放一些 IRAM，但此时 esp_flash 错误修复程序及新的 flash 芯片支持将失效，详情请参阅 SPI Flash API ESP-IDF 版本与芯片 ROM 版本的对比。

- 禁用 CONFIG_ESP_EVENT_POST_FROM_IRAM_ISR 可以防止从 IRAM 安全中断处理程序 中发布 `esp_event` 事件，节省 IRAM 空间。

- 禁用 CONFIG_SPI_MASTER_ISR_IN_IRAM 可以防止在写入 flash 时发生 spi_master 中断，节省 IRAM 空间，但可能影响 spi_master 的性能。

- 禁用 CONFIG_SPI_SLAVE_ISR_IN_IRAM 可以防止在写入 flash 时发生 spi_slave 中断，节省 IRAM 空间。

- 设置 CONFIG_HAL_DEFAULT_ASSERTION_LEVEL 为禁用 HAL 组件的断言，可以节省 IRAM 空间，对于经常调用 `HAL_ASSERT` 且位于 IRAM 中的 HAL 代码尤为如此。

- 要禁用不需要的 flash 驱动程序，节省 IRAM 空间，请参阅 sdkconfig 菜单中的 `Auto-detect Flash chips` 选项。

- 启用 CONFIG_HEAP_PLACE_FUNCTION_INTO_FLASH。只要未启用 CONFIG_SPI_MASTER_ISR_IN_IRAM 选项，且没有从 ISR 中错误地调用堆函数，就可以在所有配置中安全启用此选项。

- 禁用 CONFIG_LIBC_LOCKS_PLACE_IN_IRAM。若在缓存禁用的情况下，运行中的中断服务程序（即 IRAM ISR）没有使用 libc 锁 API，那么禁用该配置可以节省 IRAM 空间。

- 禁用 CONFIG_LIBC_OPTIMIZED_MISALIGNED_ACCESS 可以节省大约 1000 字节的 IRAM，但会降低性能。

### flash 暂停特性

在使用 SPI flash API 和基于 SPI flash API 的 API（如 NVS、分区 API 等）时，将禁用缓存。在此期间执行的所有代码都必须放置于内部 RAM 中，详情请参阅 SPI1 flash 并发约束。因此，系统只会执行位于内部 RAM 中的中断处理程序。

为将代码置于内部 RAM，ESP-IDF 驱动通常支持以下两个选项：

- 将驱动程序的内部 ISR 处理程序放置在内部 RAM 中。

- 将某些控制函数放置在内部 RAM 中。

在中断上下文中使用用户 ISR 回调及其相关变量时，也必须将其放置在内部 RAM 中。

将额外代码放置到 IRAM 中，将增加 IRAM 使用量，ESP-IDF 提供了 CONFIG_SPI_FLASH_AUTO_SUSPEND 选项，可以缓解 IRAM 的使用。通过启用此功能，使用 SPI flash API 和基于 SPI flash API 的 API 时，不会导致缓存禁用，因此 flash 中的代码和数据仍可正常执行或访问，但会有些延迟。有关此功能的详细信息，请参阅 flash 自动暂停功能。

启用 CONFIG_SPI_FLASH_AUTO_SUSPEND 后，可以减少 flash 驱动的 IRAM 使用。更多详细信息请参阅 flash 驱动的内部存储优化。

有关 flash 暂停特性的使用及其相应的响应时间延迟，请参阅 system/flash_suspend。

备注

将常用函数从 IRAM 移动到 flash，可能会增加函数的执行时间。

备注

部分配置选项可以将一些功能移动到 IRAM 中，从而提高性能，但这类选项默认不进行配置，因此未在此列出。了解启用上述选项对 IRAM 大小造成的影响，请参阅配置项的帮助文本。

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