如何避免树莓派Pico上MicroPython垃圾回收延迟及内存泄漏？

问题描述 #

在树莓派Pico上使用MicroPython处理脉冲波（17ms高电平、3ms低电平）时，遇到两个核心问题：

• 垃圾回收（GC）触发时会导致输出异常延迟约6ms，超出需求范围
• 禁用GC（gc.disable()）后，程序仅运行约1秒就因内存耗尽崩溃

以下测试代码仅更新类实例属性，却出现持续内存增长：

from gc import mem_alloc
from time import ticks_us, ticks_diff

class Example_class:
    def __init__(self,a):
        self.a = a
        self.b = 1

example_object = Example_class(1)
start_time = ticks_us()

while True:
    example_object.a=0.000001 * ticks_diff(ticks_us(),start_time)
    m0 = mem_alloc() # 用于演示内存变化
    example_object.b=example_object.a*1
    m1 = mem_alloc() # 用于演示内存变化
    print(m1-m0) # 输出每次循环新增内存
    print(mem_alloc()) # 输出当前已分配内存

测试发现：

• print(m1-m0)始终返回16，说明每次循环都新增16字节内存
• mem_alloc()结果持续增长，禁用GC后程序数秒内崩溃
• 将乘数0.000001改为1后问题消失，random.randint(0,1)等操作也会引发类似内存增长

问题原因 #

1. 浮点数的不可变性：MicroPython中浮点数是不可变对象，每次浮点数计算（如0.000001 * ticks_diff(...)）都会在堆上创建新的浮点数对象，旧对象被丢弃后，若GC禁用则无法被回收，导致内存持续累积。
2. 小整数对象池复用：当乘数改为1时，计算结果为整数，MicroPython对小整数（通常是-5到256）采用对象池复用机制，不会创建新对象，因此无内存增长。
3. 额外操作的对象创建：random.randint或print等操作会创建临时字符串/对象，同样会占用堆内存，在GC禁用时无法回收。

解决方案 #

1. 完全用整数运算替代浮点数 #

浮点数是内存增长的核心原因，将所有计算转换为整数操作：

• 保留微秒级整数计时（ticks_us返回的整数），避免浮点缩放。例如将0.000001 * ticks_diff(...)改为ticks_diff(...) // 1000000（得到秒级整数），或直接用微秒整数进行后续逻辑计算。
• 示例修改：

from gc import mem_alloc
from time import ticks_us, ticks_diff

class Example_class:
    def __init__(self,a):
        self.a = a
        self.b = 1

example_object = Example_class(1)
start_time = ticks_us()

while True:
    # 用整数除法替代浮点乘法，得到秒级整数
    example_object.a = ticks_diff(ticks_us(), start_time) // 1000000
    m0 = mem_alloc()
    example_object.b = example_object.a * 1
    m1 = mem_alloc()
    print(m1 - m0)  # 此时输出应为0，无新增内存

2. 手动控制GC触发时机 #

不要完全禁用GC，而是在脉冲波的低电平时间段（3ms）手动调用gc.collect()，这段时间对输出延迟不敏感：

import gc
from machine import Pin
from time import ticks_us, ticks_diff, sleep_ms

gc.disable() # 先禁用自动GC
pulse_pin = Pin(15, Pin.OUT)

while True:
    # 输出17ms高电平（核心逻辑，无GC）
    pulse_pin.value(1)
    # 执行高电平期间的逻辑，确保无内存泄漏
    # ...
    
    # 进入3ms低电平，手动触发GC
    pulse_pin.value(0)
    gc.collect()
    sleep_ms(3) # 补足低电平时间

3. 移除不必要的调试操作 #

print语句会创建大量临时字符串对象，调试完成后必须移除，避免额外内存消耗。

4. 预分配必要对象（如必须用浮点数） #

若业务逻辑必须使用浮点数，可预先创建浮点数变量并复用，但MicroPython浮点数不可变，因此需用其他方式优化：

• 例如将浮点数计算结果存储到预先分配的列表或对象的属性中，避免每次创建新对象（实际效果有限，优先推荐整数方案）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jack