从 RAM 到 Flash:MicroPython 嵌入式内存优化的底层逻辑与实践

1.前置概念

MicroPython 的核心应用场景是微控制器（如树莓派 Pico、ESP32、ESP8266），这类设备的硬件资源与电脑 / 服务器存在数量级的差距 —— 通常 RAM（运行内存）只有几十 KB 到几百 KB，Flash（存储内存）也仅几 MB。而 Python 代码本身具有动态性，运行时会占用一定的内存资源，因此在微控制器上使用 MicroPython 时，内存优化是保证程序稳定运行的关键。本文将详细介绍 MicroPython 内存优化的方法，其中会对新手不易理解的专有名词进行标注解释，同时为核心知识点提供可在 REPL（MicroPython 交互式命令行）中运行的测试代码，帮助你边学边验证。

在学习具体优化方法前，先理解以下核心专有名词，能让后续内容更易理解：

• RAM（随机存取存储器）
  ：又称运行内存，是微控制器用于临时存储运行中的代码、数据的区域，特点是读写速度快，但断电后数据丢失，且容量极小（树莓派 Pico 的 RAM 为 264KB）。
• Flash（闪存）
   ：又称存储内存，是微控制器用于永久存储固件、用户代码、数据的区域，特点是断电后数据不丢失，容量比 RAM 大，但读写速度较慢（树莓派 Pico 的 Flash 为 2MB）。
• 字节码
  ：MicroPython 不会直接执行人类编写的源码（.py 文件），而是先将源码编译为一种介于源码和机器码之间的中间代码（即字节码），再由 MicroPython 解释器执行。字节码的体积更小，执行效率更高。
• 固件
  ：烧录到微控制器 Flash 中的底层软件，包含 MicroPython 解释器、硬件驱动等核心功能，是 MicroPython 运行的基础。
• REPL
  ：即 Read-Eval-Print Loop（读取 - 执行 - 打印循环），是 MicroPython 的交互式命令行工具（如 Thonny 的 Shell 面板、串口工具的交互窗口），可以逐行输入代码并立即执行，是新手调试、测试代码的必备工具。
• SPI 总线
  ：一种串行外设接口（Serial Peripheral Interface），是微控制器与外部设备（如 SD 卡、传感器）通信的常用协议，具有接线简单、传输速度快的特点。

2.优化方法

2.1 基本概念

在学习具体优化方法前，先理解以下核心专有名词，能让后续内容更易理解：

• RAM（随机存取存储器）
   ：又称运行内存，是微控制器用于临时存储运行中的代码、数据的区域，特点是读写速度快，但断电后数据丢失，且容量极小（树莓派 Pico 的 RAM 为 264KB）。
• Flash（闪存）
   ：又称存储内存，是微控制器用于永久存储固件、用户代码、数据的区域，特点是断电后数据不丢失，容量比 RAM 大，但读写速度较慢（树莓派 Pico 的 Flash 为 2MB）。
• 字节码
  ：MicroPython 不会直接执行人类编写的源码（.py 文件），而是先将源码编译为一种介于源码和机器码之间的中间代码（即字节码），再由 MicroPython 解释器执行。字节码的体积更小，执行效率更高。
• 固件
  ：烧录到微控制器 Flash 中的底层软件，包含 MicroPython 解释器、硬件驱动等核心功能，是 MicroPython 运行的基础。
• REPL
  ：即 Read-Eval-Print Loop（读取 - 执行 - 打印循环），是 MicroPython 的交互式命令行工具（如 Thonny 的 Shell 面板、串口工具的交互窗口），可以逐行输入代码并立即执行，是新手调试、测试代码的必备工具。
• SPI 总线
  ：一种串行外设接口（Serial Peripheral Interface），是微控制器与外部设备（如 SD 卡、传感器）通信的常用协议，具有接线简单、传输速度快的特点。

2.2 安装 SD 卡

支持 MicroPython 的开发板可以通过插入 SD 卡的方式扩展内存，首先需要将卡格式化为 FAT/FAT32格式（一种通用的文件系统格式，被绝大多数设备支持，也是 MicroPython 识别 SD 卡的必要格式） 。通常使用 SPI 总线 挂在 SD 卡，插卡后 MicroPython 会从 SD 卡启动，如果 SD 卡上有 boot.py 和 main.py，在启动时也会自动执行。

我们也可以从内部 flash 启动而又使用 SD 卡保存数据，这时需要在 SD 卡根目录中设置一个 SKIPSD 文件，当系统启动时检查到 SD 上存在这个文件，就会忽略 SD 卡，仍然从内部 Flash 启动。

关于 MicroPython 在 SD 卡上的使用，可以看下面的教程：

08 SPI 串行外设接口-文档教程初稿

在树莓派 pico 上使用 SD 卡可以参考教程：

• Micropython SD 卡操作 https://blog.csdn.net/gene8888/article/details/89599251
• 树莓派 pico 使用 spi 操作 sd 卡 
• 使用 SPI 方式挂载 SD 卡 https://pico.nxez.com/2018/12/30/mount-the-sd-card-using-spi.html
• 树莓派 Pico 与 MicroSD 卡模块接口 https://blog.csdn.net/yuanzywhu/article/details/131592815
• MicroPython 设置忽略 SD 卡启动 https://pico.nxez.com/2018/12/21/micropython-settings-ignore-sd-card-boot.html

2.3 使用 frozen 模块和 frozen 字节码

实际开发中我们往往有多个.py 文件存放不同的代码，main.py 文件运行主要的业务流程，main.py 通过 import 语句引用其他.py 文件 / 模块 / 包完成整个工作（例如其他传感器的类）。main.py 文件和其他文件往往都处于开发板文件系统的根目录。

从文件系统上的 Python 文件加载模块和包来存储和运行代码有一些很大的限制，这些 Python 代码必须由 MicroPython 的解释器加载和处理，该过程需要耗费时间和内存，甚至有的情况下这些代码文件太大，无法加载到 Flash 内存并由 MicroPython 的解释器处理。Frozen 模块（冻结模块）和 Frozen 字节码（冻结字节码）可以将 Python 代码编译为 native 代码 / 字节码并将其和固件存储，这样做可以压缩内存。一旦代码被冻结，MicroPython 就可以快速加载和解释它，而无需太多的内存和处理时间。

2.3.1 Python 字节码

MicroPython 代码先被编译为字节码后，再由解释器来执行字节码，MicroPython 的字节码是一种类似汇编指令的中间语言，一个 MicroPython 语句会对应若干字节码指令，解释器顺序执行字节码指令，从而完成程序执行。

代码被预编译为字节码，避免了在加载时编译 MicroPython 源代码的需要。字节码可以直接从 Flash 执行，而不需要复制到 RAM 中。同样，任何常量对象（如字符串、元组等）也从 ROM 加载。这可以使得更多的内存可用于应用程序。在没有文件系统的设备上，这是加载 Python 代码的唯一方式。

2.3.2 生成冻结模块和字节码的步骤

一个生成冻结模块和字节码的步骤通常如下：

• 克隆 MicroPython 源代码存储库
• 获取（特定于平台的）工具链以构建固件
• 构建交叉编译器
• 将要冻结的模块放在指定目录中（取决于模块是作为源还是字节码冻结）
• 构建固件。可能需要特定命令来构建任一类型的冻结代码
• 将固件刷入设备

2.3.3 MicroPython 的 frozen 的主要特点

MicroPython 的 frozen 的主要特点是：

• 它可以通过一个 “清单” 文件来列出要冻结到固件中的 Python 文件，清单文件是一个包含一系列函数调用的 Python 文件，可以在板子定义中编写，也可以编写一个独立的清单文件，并与现有的板子定义一起使用
• 它可以定义对来自 micropython-lib 的库以及文件系统上的 Python 文件的依赖关系，以及对其他清单文件的依赖关系
• 它可以让用户在 Python 中创建和操作各种类型的对象，如数字、字符串、列表、字典、函数、模块等

使用冻结模块和冻结字节码可以参考教程：

• Freezing the byte-code of a module and include it in the firmware doesn't work https://github.com/bbcmicrobit/micropython/issues/555
• Frozen Modules https://learn.adafruit.com/micropython-basics-loading-modules/frozen-modules
• How to freeze module for ESP32 https://forum.micropython.org/viewtopic.php?t=12268

2.4 使用.mpy 文件

将 python 模块预编译为字节码（也称为 .mpy 文件（MicroPython 的预编译字节码文件格式，区别于标准 Python 的.pyc 文件）），然后将其复制到开发板上。这样做的优点是可以跳过 开发板上的预编译阶段，从而避免在此过程中没有 RAM 资源。不幸的是，这种方法仍然需要开发板将模块加载到 RAM 中。

将 python 模块转换为 .c 文件，该文件被编译到固件本身中。具有上述方法的优点 + 具有从闪存运行模块而不是将其加载到 RAM 中的优点。

.mpy 文件生成与使用步骤可以参考：如何加快 MicroPython 的运行速度

2.5 使用 const 常量

2.5.1 MicroPython 命名空间和作用域

MicroPython 中所有加载到 RAM 的模块都会放在 sys.modules，sys.modules 是一个全局字典，从 python 程序启动就加载到了内存，用于保存当前已导入 (加载) 的所有模块名和模块对象。在 MicroPython 的模块查找中，它起到缓存作用，避免了模块的重复加载。

程序在导入某个模块时，会首先查找 sys.modules 中是否包含此模块名，若存在，则只需将模块的名字加入到当前模块的 Local 命名空间中；若不存在，则需要从 sys.path 目录中按照模块名称查找模块文件，找到后将模块加载到内存，并加入到 sys.modules 字典，最后将模块的名字加入当前模块的 Local 命名空间中。接下来，我们在终端的 REPL 中进行测试：

import sys# sys.modules显示当前已导入 (加载) 的所有模块名和模块对象print("Initial modules:")print(list(sys.modules.keys()))# 定义全局变量global_var = "I am a global variable"# enclosing_var 闭包外层变量# local_var 函数inner_function内部局部变量# len 是内置函数# 尝试修改全局变量global_var （不使用global会创建局部变量）# 闭包外层无法访问内部局部变量defscope_demo():    enclosing_var = "I am an enclosing variable (outer of closure)"definner_function():        local_var = "I am a local variable"print("Local variable:", local_var)print("Enclosing variable:", enclosing_var)print("Global variable:", global_var)print("Built-in function example:", len("test"))try:            global_var = "Trying to modify"except:pass    inner_function()try:print(local_var)except:print("Cannot access local variable")# 使用global修改全局变量defmodify_global():global global_var    global_var = "Modified global variable"print("Inside function:", global_var)# 多层嵌套中的nonlocal使用# 内部middle()函数和inner()函数中修改嵌套作用域中的变量outer_vardefnonlocal_demo():    outer_var = "Outer layer"defmiddle():nonlocal outer_var        outer_var = "Modified by middle layer"definner():nonlocal outer_var            outer_var = "Modified by inner layer"        inner()print("In middle:", outer_var)    middle()print("In nonlocal_demo:", outer_var)# 作用域演示print("\n=== Scope Demonstration ===")scope_demo()print("Access in global scope:", global_var)# 修改全局变量print("\n=== Modify Global Variable ===")modify_global()print("In global scope:", global_var)# nonlocal演示print("\n=== nonlocal Demonstration ===")nonlocal_demo()# 尝试访问内置作用域import builtinsprint("Built-in module:", builtins)

终端运行，输出如下：

2.5.2 const 常量的定义与优化原理

常量是指在程序执行期间不会发生变化的值，一般用于存储不可更改的数据，比如数学常数、配置信息等。在单片机中常量会保存在 ROM/Flash 闪存中，可以节省 RAM 空间。

MicroPython 中的关键字 const 用于声明表达式是常量，以便编译器对其进行优化，在将常量分配给变量的两种情况下，编译器将避免通过替换常量的文字值来编写对常量名称的查找。这可以节省字节码，从而节省 RAM。

不过需要注意的是，使用关键字 const 时候，需要使用 mpy-cross 工具编译为 mpy 文件才能发挥其作用。

from micropython import const# 垃圾回收模块，用于查看内存使用情况import gc# 第一步：查看初始内存使用情况# 强制垃圾回收，释放无用内存gc.collect()initial_free = gc.mem_free()print(f"Initial free RAM: {initial_free} bytes")# 第二步：定义const常量# 公开常量（模块外能访问，仅占极少量RAM）CONST_X = const(123)CONST_Y = const(2 * 123 + 1)# 私有常量（以下划线开头，模块外不能访问，完全不占用RAM）_COLS = const(0x10)ROWS = const(33)# 第三步：使用常量a = ROWSb = _COLSprint(f"CONST_X: {CONST_X}, CONST_Y: {CONST_Y}")print(f"a: {a}, b: {b}")# 第四步：查看定义常量后的内存使用情况gc.collect()after_free = gc.mem_free()print(f"Free RAM after defining constants: {after_free} bytes")print(f"RAM change: {after_free - initial_free} bytes (positive means memory freed)")# 补充：对比普通变量与const常量的区别# 普通变量，存储在RAM中normal_var = 123  gc.collect()after_normal = gc.mem_free()print(f"Free RAM after defining normal variable: {after_normal} bytes")print(f"Normal variable uses {after_free - after_normal} more bytes than const")

ROWS 值将占用至少两个机器字，全局字典中的键和值各一个。字典中的存在是必要的，因为另一个模块可能会导入或使用它。可以通过在名称前面添加下划线来保存此 RAM，如 _COLS 所示：此符号在模块外部不可见，因此不会占用 RAM。

终端运行结果如下：const () 的参数必须是任何在编译时计算结果为整数的值。

from micropython import constROWS = const(33)# 下面用法报错COLS = const(0x10+ROWS)# 正确用法COLS = const(0x10+33)

终端输出如下：

2.6 减少不必要的对象创建

在 MicroPython 中，对象（如字符串、列表、字典、字节数组、数值容器等）的创建会占用 RAM 资源。由于微控制器的 RAM 容量极小，频繁创建和销毁对象不仅会直接消耗内存，还会导致内存碎片化（即 RAM 中出现大量小的空闲内存块，无法被大对象使用），最终引发内存不足的问题。需要注意的是，标准 Python 中的 sys.getsizeof() 函数在 MicroPython 中大部分平台不支持（这是 MicroPython 的特性，为了精简固件），因此我们可以通过 struct 模块将变量 / 数据打包为字节流，再通过 len() 函数获取字节流的长度，以此来测试数据占用的字节大小；同时结合 gc 模块（垃圾回收）查看 RAM 的实际使用变化，完成优化前后的对比。

2.6.1 字符串操作优化（避免临时字符串对象）

MicroPython 中的字符串是不可变对象，使用 + 拼接字符串时，每一次 + 都会创建一个临时字符串对象（比如 "a"+"b"+"c" 会先创建 "ab"，再创建 "abc"，共 2 个临时对象），这些临时对象会占用额外的 RAM，且会被垃圾回收器频繁清理，影响性能。

优化思路：

• 使用字符串直接拼接（编译时合并，无临时对象）；
• 使用 join() 方法（仅创建一个最终字符串对象）；
• 使用多行字符串（""" 或 '''，编译时合并）。

# 静态字符串拼接（编译时合并，无临时对象）static_str = "MicroPython" "Memory" "Opt"print("Static string:", static_str)# 动态字符串（推荐format，减少临时对象）temp = 25.5press = 101325dynamic_str = "Temp: {:.2f}, Press: {:d}".format(temp, press)print("Dynamic string:", dynamic_str)

2.6.2 硬件操作中的缓冲区复用（UART/SPI/I2C 场景）

在 MicroPython 的硬件操作中（如 SPI 读取传感器数据、UART 接收数据），频繁创建新的字节缓冲区（bytearray/bytes）会占用大量 RAM。例如，每次读取传感器都创建 buf = bytearray(10)，循环 100 次就会创建 100 个缓冲区对象。

我们可以提前分配一个缓冲区，在循环 / 多次操作中复用，仅创建一次对象，彻底避免临时缓冲区的创建。

下面我们预分配串口接收缓冲区，循环中复用，避免重复创建 bytearray。

from machine import UART, Pin# 初始化UARTuart = UART(0, baudrate=9600, tx=Pin(0), rx=Pin(1))# 预分配缓冲区（仅创建1次）uart_buf = bytearray(16)# 循环接收（复用缓冲区）for _ inrange(5):    uart.readinto(uart_buf)print("UART data:", uart_buf)

下面，我们预分配 SPI 读写缓冲区，复用减少内存开销。

from machine import SPI, Pin# 初始化SPIspi = SPI(0, baudrate=1000000, sck=Pin(2), mosi=Pin(3), miso=Pin(4))# 预分配缓冲区spi_buf = bytearray(8)# 循环读写（复用缓冲区）for _ inrange(5):    spi.readinto(spi_buf)print("SPI data:", spi_buf)

2.6.3 数值存储优化（用 struct/bytearray 代替列表）

在 MicroPython 中，列表存储数值（如 [1, 2, 3, 255]）会占用较多 RAM，因为列表中的每个整数对象都有额外的内存开销（比如一个 int 类型在 MicroPython 中占 4 字节，而列表本身还有指针开销）。

优化思路：

• 使用 struct 模块将多个数值打包为字节流（比如将 4 个整数打包为 4 字节的字节流）；
• 使用 bytearray（可变字节数组）存储小数值（0-255），每个元素仅占 1 字节，远少于列表中的整数；
• str
   与 bytes 可通过 encode()/decode() 转换，但转换会创建新对象，需避免频繁操作。

# 1. str vs bytes（内存占用一致，ASCII场景）# String (ASCII)s = 'the quick brown fox'# Bytes (1 byte per char)b = b'the quick brown fox'print("String:", s)print("Bytes:", b)# 2. 字符串与字节的转换（注意：转换会创建新对象）# str -> bytess_to_b = s.encode()  # bytes -> strb_to_s = b.decode()  print("Str->Bytes:", s_to_b)print("Bytes->Str:", b_to_s)# 3. bytes支持字符串方法（如lstrip）foo = b'  empty whitespace'foo_stripped = foo.lstrip()print("Stripped bytes:", foo_stripped)

终端运行，输出如下：

2.6.4 避免循环中的临时容器创建

在循环中频繁创建临时容器（如 for _ in range(100): temp = [1,2,3]）会创建大量临时对象，占用 RAM。优化思路是将临时容器移到循环外，复用对象，或使用生成器 / 迭代器代替临时列表。

import gcimport struct# 初始化垃圾回收，建立测试基线gc.collect()ram_init = gc.mem_free()# 定义循环次数（模拟多次迭代场景）loop_times = 100# ---------------------- 低效实现：循环内创建临时列表 ----------------------# 循环内每次创建新的列表容器，产生大量临时对象gc.collect()ram_slow_before = gc.mem_free()total_slow = 0# 每次循环创建新列表[1,2,3,4,5]# struct测试列表数据的字节大小（打包为5个整数，用'i'格式）for _ inrange(loop_times):    temp_list = [1, 2, 3, 4, 5]    total_slow += sum(temp_list)    size_slow = len(struct.pack("5i", *temp_list))# 记录低效实现后的RAMram_slow_after = gc.mem_free()# ---------------------- 高效实现1：循环外创建列表，复用容器 ----------------------# 列表仅创建一次，循环内复用gc.collect()ram_fast1_before = gc.mem_free()total_fast1 = 0# 临时列表移到循环外（仅创建1次）# struct测试复用列表的字节大小（与低效实现一致）temp_list_reuse = [1, 2, 3, 4, 5]for _ inrange(loop_times):    total_fast1 += sum(temp_list_reuse)    size_fast1 = len(struct.pack("5i", *temp_list_reuse))# 记录高效实现1后的RAMram_fast1_after = gc.mem_free()# ---------------------- 高效实现2：使用生成器，替代临时列表 ----------------------# 定义生成器函数（仅创建一次，循环内复用迭代器）# 直接yield元素，避免元组创建defnum_generator():yield1yield2yield3yield4yield5# 生成器不创建完整列表，仅迭代生成元素，内存开销最低gc.collect()ram_fast2_before = gc.mem_free()total_fast2 = 0# 生成器表达式（无临时列表对象）# struct测试生成器数据的字节大小（打包为5个整数）for _ inrange(loop_times):    total_fast2 += sum(num_generator())    size_fast2 = len(struct.pack("5i", 1, 2, 3, 4, 5))# 记录高效实现2后的RAMram_fast2_after = gc.mem_free()# 输出测试结果（无中文）print("Slow total:", total_slow)print("Slow RAM change:", ram_slow_before - ram_slow_after)print("Slow data size:", size_slow)print("Fast1 total:", total_fast1)print("Fast1 RAM change:", ram_fast1_before - ram_fast1_after)print("Fast1 data size:", size_fast1)print("Fast2 total:", total_fast2)print("Fast2 RAM change:", ram_fast2_before - ram_fast2_after)print("Fast2 data size:", size_fast2)

终端运行结果如下：我们可以看到：

• 每次循环创建新列表对象：内存消耗为 10528 字节；
• 循环外创建列表复用容器：内存消耗为 5888 字节；
• 使用生成器：内存消耗为 8720 字节。

在小数据量（5 个固定数）重复 100 次的场景下，列表复用确实比生成器更省内存；当需要处理大量数据或流式数据时，生成器避免了一次性加载所有数据。

2.6.5 避免运行时编译器执行（eval/exec）

eval()/exec() 会在运行时调用 MicroPython 编译器，创建大量临时对象，消耗大量 RAM；直接计算或使用 json 序列化替代，可减少内存开销。

import gcimport structimport json# ---------------------- 低效：使用eval ----------------------gc.collect()ram_eval_before = gc.mem_free()# 避免使用eval，此处仅作对比res_eval = eval("1 + 2 * 3 + 4 / 2")ram_eval_after = gc.mem_free()# ---------------------- 高效：直接计算 ----------------------gc.collect()ram_calc_before = gc.mem_free()res_calc = 1 + 2 * 3 + 4 / 2ram_calc_after = gc.mem_free()# ---------------------- 高效：ujson序列化 ----------------------gc.collect()ram_json_before = gc.mem_free()# 序列化data = {"temp": 25.5, "press": 101325}json_data = json.dumps(data)# 反序列化size_json = len(struct.pack(f"{len(json_data.encode())}s", json_data.encode()))data_loaded = json.loads(json_data)ram_json_after = gc.mem_free()# 输出测试结果print("Eval RAM change:", ram_eval_before - ram_eval_after)print("Calc RAM change:", ram_calc_before - ram_calc_after)print("JSON size:", size_json)print("JSON RAM change:", ram_json_before - ram_json_after)

终端运行结果如下：我们可以看到，动态解析（eval()）和 JSON 处理会创建大量隐藏的临时对象：

• eval("1+2*3+4/2")
   虽然结果相同但消耗 592 字节内存，比直接计算（384 字节）多出 208 字节；
• 而 JSON 序列化 31 字节数据却消耗 1488 字节内存，因为解析字符串、创建中间字典、转换浮点数等每个步骤都产生碎片化分配，最终实际内存开销是数据大小的 48 倍。

这正是微控制器上内存碎片化的典型表现——表面简单的操作背后隐藏着指数级的内存消耗。

2.6.6 在闪存中存储字符串（qstr 机制）

MicroPython 的 qstr 量化字符串机制会将重复的字符串存储在闪存中，而非 RAM，减少 RAM 占用，我们可以通过 micropython.qstr_info() 查看字符串存储状态，用 struct 测试字符串字节大小，用 gc 查看 RAM 变化。

import gcimport structimport micropython# 初始化垃圾回收gc.collect()ram_init = gc.mem_free()# 定义测试字符串（会被qstr机制处理）s1 = "MicroPython"# 重复字符串，复用闪存中的qstrs2 = "MicroPython"# struct测试字符串字节大小size_s = len(struct.pack(f"{len(s1.encode())}s", s1.encode()))# 打印qstr信息（1表示详细输出）micropython.qstr_info(1)# 记录RAMram_after = gc.mem_free()# 输出测试结果print("String size:", size_s)print("RAM free:", ram_after)

终端输出结果如下：我们可以看到，s1 和 s2 两个字符串内容相同，都是 "MicroPython"，MicroPython 的 qstr 机制会重用相同字符串，实际上 s1 和 s2 指向同一个内存中的字符串对象，同时节省了重复存储相同字符串的内存。

qstr 信息分析如下：

>>> micropython.qstr_info(1)qstr pool: n_pool=1, n_qstr=5, n_str_data_bytes=26, n_total_bytes=170Q(ram_init)Q(s1)Q(s2)Q(size_s)Q({}s)

关键信息解析：

• n_pool=1：有 1 个 qstr 池；

• n_qstr=5：当前有 5 个驻留的字符串；

• n_str_data_bytes=26：字符串数据总大小 26 字节；

• n_total_bytes=170：qstr 系统总占用 170 字节（qstr 管理结构本身有约 144 字节的开销）。

  并且列出的 5 个 qstr：

• ram_init：变量名（8 字符）；

• s1：变量名（2 字符）；

• s2：变量名（2 字符）；

• size_s：变量名（5 字符）；

• {}s：format 字符串的一部分（3 字符）。

但是，"MicroPython" 这个字符串没有在列出的 qstr 中，是因为 MicroPython 将它作为只读数据存储在 Flash 中，而不是 RAM 中。

2.7 堆与垃圾回收机制

堆是一块动态分配的内存区域，用于存储程序运行时创建的对象实例和动态数据结构（比如 Python 中的列表、字典、自定义类的实例）：

• 堆的大小不是固定的，会根据程序需求动态扩展（受限于系统总内存）；
• 在 Python、Java 等语言中，堆的分配是由语言的虚拟机（VM）自动完成的，开发者无需手动申请内存。

当你执行 lst = [1,2,3] 时，Python 会：

• 在堆中分配一块内存，存储列表 [1,2,3] 的对象数据；
• 在栈中分配一个变量 lst，存储的是堆中该对象的内存地址（引用）。也就是说，变量 lst 只是一个「指针」，指向堆中的实际数据。

堆中的对象如果没有任何引用指向它（即程序无法再访问到该对象），这个对象就成为「垃圾」：例如执行 lst = None 后，原本堆中的 [1,2,3] 对象就失去了引用，变成垃圾。

MicroPython 中 GC 垃圾回收可以自动识别并清理堆中的垃圾对象，释放占用的内存，避免内存泄漏（内存被无用对象一直占用，导致程序可用内存越来越少，最终崩溃）。垃圾回收的触发方式包括以下两种：

• 自动触发
  ：当堆内存占用达到阈值、或对象引用计数为 0 时，语言引擎自动触发 GC。
• 手动触发
  ：开发者可以通过代码主动调用 GC（比如 Python 中的 gc.collect()）。

MicroPython 的 gc 模块有下面的常用的核心方法：

下面是我们的测试代码：

# 导入gc模块，用于操作垃圾回收（mpy版）import gc# 1. 查看自动GC是否开启（部分mpy版本支持）print(gc.isenabled())# 2. 禁用自动GC，方便手动控制测试过程gc.disable()print(gc.isenabled())# 3. 查看初始的空闲堆内存和已分配堆内存（mpy专属方法）print(f"Free heap: {gc.mem_free()} bytes")print(f"Allocated heap: {gc.mem_alloc()} bytes")# 4. 演示gc.threshold()方法：设置并查询GC分配阈值（mpy专属方法）# 设置阈值为1024字节，累计分配1024字节后触发GC（提前回收减少碎片）gc.threshold(1024)# 无参数时查询当前阈值current_threshold = gc.threshold()  print(f"Current GC threshold: {current_threshold} bytes")# 5. 创建普通对象，占用堆内存（变量是栈中的引用，指向堆对象）# 创建更大的列表，内存变化更明显obj1 = [1, 2, 3, 4, 5]  obj2 = {"name": "test", "age": 18}print("Objects created")# 6. 查看创建对象后的内存变化print(f"Free heap after create: {gc.mem_free()} bytes")print(f"Allocated heap after create: {gc.mem_alloc()} bytes")# 7. 切断引用，让对象成为垃圾（堆中对象无引用指向）obj1 = Noneobj2 = Noneprint("References cut, objects become garbage")# 8. 查看切断引用后的内存（未GC，内存未释放）print(f"Free heap before collect: {gc.mem_free()} bytes")print(f"Allocated heap before collect: {gc.mem_alloc()} bytes")# 9. 手动触发GC，清理垃圾对象# mpy中部分版本无返回值，故移除接收变量gc.collect()  print("Garbage collection executed")# 10. 查看GC后的内存变化（垃圾被清理，空闲内存增加）print(f"Free heap after collect: {gc.mem_free()} bytes")print(f"Allocated heap after collect: {gc.mem_alloc()} bytes")# 11. 演示循环引用的垃圾回收（引用计数法无法处理，需gc.collect()）a = []b = []# a引用b, b引用a，形成循环引用a.append(b)  b.append(a) print("Circular reference objects created")# 12. 查看创建循环引用对象后的内存print(f"Free heap after circular ref: {gc.mem_free()} bytes")print(f"Allocated heap after circular ref: {gc.mem_alloc()} bytes")# 13. 切断外部引用，此时a和b互相引用，引用计数不为0a = Noneb = Noneprint("External references cut (circular ref remains)")# 14. 手动触发GC，清理循环引用的垃圾gc.collect()print("Garbage collection for circular ref executed")# 15. 查看清理循环引用后的内存print(f"Free heap after circular collect: {gc.mem_free()} bytes")print(f"Allocated heap after circular collect: {gc.mem_alloc()} bytes")# 16. 恢复自动GC，并重置阈值为默认（-1表示禁用阈值）gc.threshold(-1)print(f"Reset GC threshold: {gc.threshold()}")gc.enable()print(gc.isenabled())

运行终端，输出如下：整体流程如下图所示：内存变化如下表所示：

我们也可以使用 micropython.mem_info(1) 方法查看堆利用率表：

这是 MicroPython 的内存信息详细输出，用于查看栈和堆的整体状态，是分析内存的基础：

stack:516outof7936GC: total:233024,used:7168,free:225856No. of 1-blocks:96,2-blocks:26,max blk sz:64,max free sz:14075...（内存布局省略）

• stack: 516 out of 7936 ：栈内存已使用 516 字节，总大小 7936 字节。栈内存用于存储局部变量、函数调用上下文，这里栈使用量很小，处于安全状态。

• GC: total: 233024, used: 7168, free: 225856：堆内存的核心统计（单位：字节）：

• total
  ：堆内存总大小（233024 字节）。
• used
  ：当前已分配的堆内存（7168 字节），即程序中对象占用的堆空间。
• free
  ：当前空闲的堆内存（225856 字节），可用于分配新对象。

• 块信息（1-blocks/2-blocks 等）：MicroPython 的堆内存以「块」为单位分配，这里显示了不同大小块的数量、最大块大小、最大空闲块大小，反映了堆的碎片化程度。

• 内存布局：以字符形式展示堆内存的使用状态（如 h 表示已用块、= 表示空闲块、D/B/S 是特殊标记），后续的 219 lines all free 表示大部分堆内存都是空闲的。

参考资料

https://docs.micropython.org/en/latest/reference/index.html