嵌入式C語言中堆和棧的區(qū)別

前言

在嵌入式C語言中，堆和棧都是用來存儲變量的內(nèi)存區(qū)域，但它們在存儲和使用變量方面有很大的區(qū)別。

堆和棧的主要區(qū)別在于它們的分配和釋放方式。 棧是由編譯器自動分配和釋放的，存儲在棧中的變量的生命周期與函數(shù)調(diào)用的生命周期相同。 每次函數(shù)調(diào)用時，棧會自動分配一些內(nèi)存用于存儲函數(shù)的參數(shù)、局部變量和返回地址等信息，當(dāng)函數(shù)返回時，棧中的這些變量和信息會自動被釋放。

需要注意的是，堆和棧的大小都是有限制的。 棧的大小通常受限于系統(tǒng)的硬件資源和操作系統(tǒng)的限制，而堆的大小通常受限于操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理策略和硬件資源。 如果在程序中使用了過多的堆或棧內(nèi)存，可能會導(dǎo)致棧溢出或堆溢出等內(nèi)存錯誤，從而導(dǎo)致程序崩潰或行為不可預(yù)測。 因此，在編寫嵌入式C程序時，應(yīng)該合理地使用堆和棧內(nèi)存，避免出現(xiàn)內(nèi)存錯誤。

一、堆和棧的概念

區(qū)別：

堆和棧都是內(nèi)存中的一段連續(xù)區(qū)域，用于存儲數(shù)據(jù)。 它們之間的區(qū)別在于：

棧是由編譯器自動管理的，其內(nèi)存分配和釋放都由編譯器負(fù)責(zé)，開發(fā)者無法直接控制。 而堆是由開發(fā)者手動管理的，需要通過調(diào)用相關(guān)的函數(shù)來申請和釋放內(nèi)存空間。

• 棧是一種先進(jìn)后出（LIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常位于內(nèi)存的高地址區(qū)域。 棧的特點是具有自動分配和釋放內(nèi)存的能力，每次函數(shù)調(diào)用時，程序會自動為該函數(shù)分配一個棧幀，并在函數(shù)返回時自動釋放棧幀。 由于棧的內(nèi)存分配和釋放由編譯器自動完成，因此程序員無需手動管理棧內(nèi)存。 棧內(nèi)存主要用于存儲局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回值等數(shù)據(jù)。
• 堆是一種動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常位于內(nèi)存的低地址區(qū)域。 堆的特點是可以在運行時動態(tài)分配和釋放內(nèi)存，程序員可以通過malloc、calloc等函數(shù)手動申請一塊指定大小的內(nèi)存空間，并在使用完畢后手動釋放該內(nèi)存空間。 堆內(nèi)存主要用于存儲動態(tài)分配的數(shù)據(jù)，如數(shù)組、結(jié)構(gòu)體和對象等。

堆的定義：

堆是指存放在內(nèi)存中的一塊動態(tài)分配的區(qū)域，它的大小是不固定的，可以在程序運行時動態(tài)地分配和釋放。 堆的分配和釋放由程序員來控制，程序員需要手動地分配堆的內(nèi)存空間，并在不需要時釋放它。 堆是一種動態(tài)分配的內(nèi)存區(qū)域，通常用于存儲一些比較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如數(shù)組和結(jié)構(gòu)體等。

棧的定義

棧是指存放在內(nèi)存中的一塊靜態(tài)分配的區(qū)域，它的大小是固定的，不能在程序運行時動態(tài)地分配和釋放。 棧的分配和釋放由系統(tǒng)自動控制，系統(tǒng)會自動地為每個線程分配一塊棧空間。 棧是一種后進(jìn)先出（Last In First Out，LIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常用于存儲一些較小的數(shù)據(jù)，例如基本數(shù)據(jù)類型和函數(shù)的參數(shù)等。

堆的實現(xiàn)方式及存放數(shù)據(jù)類型

堆是動態(tài)內(nèi)存分配中的一種方式，其內(nèi)存空間是在程序運行期間從系統(tǒng)中申請的，因此能夠更加靈活地利用內(nèi)存空間。 堆的實現(xiàn)方式一般是通過malloc、calloc、realloc等函數(shù)來實現(xiàn)。 這些函數(shù)會在系統(tǒng)的堆空間中申請一塊指定大小的內(nèi)存空間，并返回一個指向該內(nèi)存空間的指針。

堆可以存放各種類型的數(shù)據(jù)，包括基本數(shù)據(jù)類型、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、指針等等。 下面以數(shù)組和結(jié)構(gòu)體為例，分別演示在堆中動態(tài)分配內(nèi)存空間的方法。

棧和堆的異同點

內(nèi)存分配和釋放方式不同

棧內(nèi)存是由編譯器自動分配和釋放的，它的生命周期與函數(shù)的生命周期相同。 每當(dāng)函數(shù)被調(diào)用時，編譯器將自動為該函數(shù)分配一塊內(nèi)存，用于存儲該函數(shù)的局部變量、參數(shù)、返回值以及函數(shù)的返回地址等信息。 當(dāng)函數(shù)執(zhí)行完畢后，編譯器將自動釋放該函數(shù)的內(nèi)存空間。

堆內(nèi)存是由程序員動態(tài)分配和釋放的。 程序員可以根據(jù)需要動態(tài)地分配內(nèi)存空間，同時在不再需要該內(nèi)存空間時手動釋放它。 堆內(nèi)存的生命周期由程序員決定，因此程序員必須確保及時釋放堆內(nèi)存，以避免內(nèi)存泄漏。

舉例：

1#include 
 2#include 
 3
 4void foo(int n) {
 5    int x = n * n;
 6    printf("x = %d\\n", x);
 7}
 8
 9int main() {
10    int a = 10;
11    foo(a);
12
13    int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
14    *p = 20;
15    printf("*p = %d\\n", *p);
16    free(p);
17
18    return 0;
19}

在上面的示例中，變量a是一個整型變量，它被存儲在棧上。 函數(shù)foo也被存儲在棧上，它的參數(shù)n和局部變量x也被存儲在棧上。 變量p是一個指向整型變量的指針，它被存儲在棧上，但它指向的內(nèi)存空間是在堆上動態(tài)分配的。 在代碼的結(jié)尾，使用free函數(shù)手動釋放了p指向的堆內(nèi)存。

訪問速度不同

棧的內(nèi)存訪問速度比堆快，因為棧內(nèi)存是連續(xù)的，可以直接通過指針訪問，而堆內(nèi)存是非連續(xù)的，需要通過指針間接訪問。

內(nèi)存大小不同

棧的內(nèi)存大小通常受到系統(tǒng)的限制，可以通過調(diào)整系統(tǒng)棧大小來改變棧的容量。 而堆的內(nèi)存大小通常受到系統(tǒng)內(nèi)存的限制，可以通過調(diào)用malloc、calloc等函數(shù)來動態(tài)分配內(nèi)存空間。

數(shù)據(jù)存儲方式

棧中存儲的數(shù)據(jù)通常是局部變量、參數(shù)、返回地址等信息。 由于棧的特殊結(jié)構(gòu)，棧中的數(shù)據(jù)存儲方式是先進(jìn)后出，即后進(jìn)先出。

堆中存儲的數(shù)據(jù)通常是程序員動態(tài)分配的內(nèi)存，例如動態(tài)數(shù)組、鏈表等。 由于堆的靈活性，堆中的數(shù)據(jù)存儲方式并不固定。

兩者存放的數(shù)據(jù)

棧中存放的數(shù)據(jù)

在嵌入式系統(tǒng)中，C語言棧是用于存儲局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回地址等信息的一段連續(xù)的內(nèi)存空間。 通常情況下，?？臻g是在程序運行時動態(tài)分配的，大小由編譯器決定。 主要是如下幾類：

• 函數(shù)的參數(shù)：在函數(shù)調(diào)用時，參數(shù)會被壓入棧中，以供函數(shù)使用。
• 函數(shù)的局部變量：函數(shù)內(nèi)部定義的局部變量會被存儲在棧中，函數(shù)執(zhí)行完畢后，這些變量會被銷毀。
• 函數(shù)調(diào)用的返回地址：在函數(shù)調(diào)用時，程序需要記錄下一個返回地址，以便函數(shù)執(zhí)行完畢后返回到正確的位置，這個返回地址也被存儲在棧中。
• 函數(shù)執(zhí)行過程中的臨時變量：函數(shù)執(zhí)行過程中可能需要使用一些臨時變量，這些變量也會被存儲在棧中。

堆

在嵌入式C語言中，堆是一個動態(tài)分配內(nèi)存的區(qū)域，它通常用于存放一些較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、動態(tài)分配的對象和需要在函數(shù)調(diào)用之間傳遞的數(shù)據(jù)。 與棧不同，堆中的數(shù)據(jù)不會隨著函數(shù)的調(diào)用而自動釋放，需要程序員手動管理。

1. 動態(tài)分配的對象：在運行時動態(tài)分配的對象，如結(jié)構(gòu)體、數(shù)組、字符串等。
2. 大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：堆可以存儲較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖像、音頻、視頻等。
3. 全局變量：在程序運行期間需要一直存在的全局變量可以存儲在堆中。

需要在函數(shù)調(diào)用之間傳遞的數(shù)據(jù)：有些數(shù)據(jù)需要在函數(shù)調(diào)用之間傳遞，但是它們的大小超出了棧的容量限制，這些數(shù)據(jù)可以存儲在堆中。

如何避免溢出？

棧

在嵌入式系統(tǒng)中，棧的大小是有限的，因此在編寫嵌入式C代碼時需要格外注意棧的使用。 如果棧空間不夠，可能會導(dǎo)致棧溢出，這會破壞程序的正常執(zhí)行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

1. 合理設(shè)置棧的大?。涸诰帉懘a時需要預(yù)估每個函數(shù)所需要的棧空間，并合理設(shè)置棧的大小，以確保棧空間不會被耗盡。
2. 減少遞歸調(diào)用：遞歸調(diào)用可能導(dǎo)致?？臻g的大量消耗，因此應(yīng)該盡量避免在嵌入式系統(tǒng)中使用遞歸調(diào)用。
3. 使用靜態(tài)變量或全局變量：在需要保存狀態(tài)的情況下，可以考慮使用靜態(tài)變量或全局變量來代替局部變量，這樣可以避免在棧中分配過多的空間。
4. 使用堆內(nèi)存：對于較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或需要動態(tài)分配內(nèi)存的情況，可以考慮使用堆內(nèi)存，這樣可以避免?？臻g的浪費和棧溢出的風(fēng)險。

堆

1. 避免過度分配內(nèi)存：在使用堆內(nèi)存時，應(yīng)該盡量避免過度分配內(nèi)存。 如果程序需要的內(nèi)存大小能夠預(yù)估，可以提前分配足夠的內(nèi)存，避免動態(tài)分配過多的內(nèi)存。
2. 及時釋放內(nèi)存：在程序不再使用某個內(nèi)存塊時，應(yīng)該及時釋放它，避免內(nèi)存泄漏的問題。 同時，在釋放內(nèi)存時，也應(yīng)該確保不會釋放已經(jīng)被釋放的內(nèi)存塊，避免重復(fù)釋放的問題。
3. 避免內(nèi)存碎片：在頻繁地分配和釋放小塊內(nèi)存時，容易導(dǎo)致內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。 為了避免內(nèi)存碎片，可以使用內(nèi)存池等技術(shù)優(yōu)化內(nèi)存管理。
4. 確保線程安全：在多線程環(huán)境下使用堆內(nèi)存時，需要確保線程安全，避免出現(xiàn)競爭條件和死鎖的問題。
5. 避免堆溢出：堆溢出是指堆中的內(nèi)存使用超出了堆的容量限制，導(dǎo)致程序崩潰或出現(xiàn)不可預(yù)期的行為。 為了避免堆溢出，需要合理設(shè)置堆的大小，并進(jìn)行嚴(yán)格的內(nèi)存管理。