内存优化

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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。

固件应用程序通常需要为内部 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-C5 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 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。

栈内存大小优化

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。

要确定特定任务栈内存的最佳大小，请执行以下操作：

• 程序运行时，如你认为某任务有未使用的栈内存，可通过其任务句柄调用 uxTaskGetStackHighWaterMark()。该函数将以字节为单位，返回任务中生命周期最短的空闲栈内存。

  • 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。

• 程序运行时，调用 uxTaskGetSystemState() 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。

• 在未使用调试器的监视点时，可以设置 CONFIG_FREERTOS_WATCHPOINT_END_OF_STACK 选项。启用此选项时，系统会使用一个观察点，监视每个任务栈的最后一个字节。如果有新的数据覆盖了该字节（例如发生栈溢出），将立即触发 panic。相比默认 CONFIG_FREERTOS_CHECK_STACKOVERFLOW 选项的 Check using canary bytes，这种方式更可靠，因其能够立即触发 panic，而不是在下一次 RTOS 上下文切换时触发。然而，两种选项都存在缺点，有时栈指针可能会跳过监视点或 canary 字节，损坏 RAM 的其他区域。

要减少特定任务栈内存大小，请执行以下操作：

• 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。

  • 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。

要减少任务的整体数量，请执行以下操作：

• 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 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。

• 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。

• 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 链接器失败时显示文件大小 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：

• 启用 CONFIG_FREERTOS_PLACE_FUNCTIONS_INTO_FLASH。只要没有从 ISR 中错误地调用这些函数，就可以在所有配置中安全启用此选项。

• 启用 CONFIG_RINGBUF_PLACE_FUNCTIONS_INTO_FLASH。只要没有从 ISR 中错误地调用这些函数，就可以在所有配置中安全启用此选项。

• 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。

• 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 Version vs Chip-ROM Version。

• 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。

• 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。

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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