嵌入式C語(yǔ)言之堆和棧介紹

前言

在嵌入式C語(yǔ)言中，堆和棧都是用來(lái)存儲(chǔ)變量的內(nèi)存區(qū)域，但它們?cè)诖鎯?chǔ)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(dòng)分配和釋放的，存儲(chǔ)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(shí)，棧會(huì)自動(dòng)分配一些內(nèi)存用于存儲(chǔ)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(shí)，棧中的這些變量和信息會(huì)自動(dòng)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(guò)多的堆或棧內(nèi)存，可能會(huì)導(dǎo)致棧溢出或堆溢出等內(nèi)存錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致程序崩潰或行為不可預(yù)測(cè)。因此，在編寫(xiě)嵌入式C程序時(shí)，應(yīng)該合理地使用堆和棧內(nèi)存，避免出現(xiàn)內(nèi)存錯(cuò)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(chǔ)數(shù)據(jù)。它們之間的區(qū)別在于：

棧是由編譯器自動(dòng)管理的，其內(nèi)存分配和釋放都由編譯器負(fù)責(zé)，開(kāi)發(fā)者無(wú)法直接控制。而堆是由開(kāi)發(fā)者手動(dòng)管理的，需要通過(guò)調(diào)用相關(guān)的函數(shù)來(lái)申請(qǐng)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(diǎn)是具有自動(dòng)分配和釋放內(nèi)存的能力，每次函數(shù)調(diào)用時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)為該函數(shù)分配一個(gè)棧幀，并在函數(shù)返回時(shí)自動(dòng)釋放棧幀。由于棧的內(nèi)存分配和釋放由編譯器自動(dòng)完成，因此程序員無(wú)需手動(dòng)管理?xiàng)?nèi)存。棧內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回值等數(shù)據(jù)。
• 堆是一種動(dòng)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(diǎn)是可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存，程序員可以通過(guò)malloc、calloc等函數(shù)手動(dòng)申請(qǐng)一塊指定大小的內(nèi)存空間，并在使用完畢后手動(dòng)釋放該內(nèi)存空間。堆內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)分配的數(shù)據(jù)，如數(shù)組、結(jié)構(gòu)體和對(duì)象等。

堆的定義：

堆是指存放在內(nèi)存中的一塊動(dòng)態(tài)分配的區(qū)域，它的大小是不固定的，可以在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地分配和釋放。堆的分配和釋放由程序員來(lái)控制，程序員需要手動(dòng)地分配堆的內(nèi)存空間，并在不需要時(shí)釋放它。堆是一種動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存區(qū)域，通常用于存儲(chǔ)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(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地分配和釋放。棧的分配和釋放由系統(tǒng)自動(dòng)控制，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地為每個(gè)線(xiàn)程分配一塊?？臻g。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(chǔ)一些較小的數(shù)據(jù)，例如基本數(shù)據(jù)類(lèi)型和函數(shù)的參數(shù)等。

堆的實(shí)現(xiàn)方式及存放數(shù)據(jù)類(lèi)型

堆是動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配中的一種方式，其內(nèi)存空間是在程序運(yùn)行期間從系統(tǒng)中申請(qǐng)的，因此能夠更加靈活地利用內(nèi)存空間。堆的實(shí)現(xiàn)方式一般是通過(guò)malloc、calloc、realloc等函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些函數(shù)會(huì)在系統(tǒng)的堆空間中申請(qǐng)一塊指定大小的內(nèi)存空間，并返回一個(gè)指向該內(nèi)存空間的指針。

堆可以存放各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，包括基本數(shù)據(jù)類(lèi)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(dòng)態(tài)分配內(nèi)存空間的方法。

棧和堆的異同點(diǎn)

內(nèi)存分配和釋放方式不同

棧內(nèi)存是由編譯器自動(dòng)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(shí)，編譯器將自動(dòng)為該函數(shù)分配一塊內(nèi)存，用于存儲(chǔ)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(dòng)釋放該函數(shù)的內(nèi)存空間。

堆內(nèi)存是由程序員動(dòng)態(tài)分配和釋放的。程序員可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配內(nèi)存空間，同時(shí)在不再需要該內(nèi)存空間時(shí)手動(dòng)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(shí)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(gè)整型變量，它被存儲(chǔ)在棧上。函數(shù)foo也被存儲(chǔ)在棧上，它的參數(shù)n和局部變量x也被存儲(chǔ)在棧上。變量p是一個(gè)指向整型變量的指針，它被存儲(chǔ)在棧上，但它指向的內(nèi)存空間是在堆上動(dòng)態(tài)分配的。在代碼的結(jié)尾，使用free函數(shù)手動(dòng)釋放了p指向的堆內(nèi)存。

訪(fǎng)問(wèn)速度不同

棧的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)速度比堆快，因?yàn)闂?nèi)存是連續(xù)的，可以直接通過(guò)指針訪(fǎng)問(wèn)，而堆內(nèi)存是非連續(xù)的，需要通過(guò)指針間接訪(fǎng)問(wèn)。

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(guò)調(diào)整系統(tǒng)棧大小來(lái)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(guò)調(diào)用malloc、calloc等函數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存空間。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

棧中存儲(chǔ)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(chǔ)方式是先進(jìn)后出，即后進(jìn)先出。

堆中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通常是程序員動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存，例如動(dòng)態(tài)數(shù)組、鏈表等。由于堆的靈活性，堆中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yǔ)言棧是用于存儲(chǔ)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，棧空間是在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配的，大小由編譯器決定。主要是如下幾類(lèi)：

• 函數(shù)的參數(shù)：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，參數(shù)會(huì)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(huì)被存儲(chǔ)在棧中，函數(shù)執(zhí)行完畢后，這些變量會(huì)被銷(xiāo)毀。
• 函數(shù)調(diào)用的返回地址：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，程序需要記錄下一個(gè)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(gè)返回地址也被存儲(chǔ)在棧中。
• 函數(shù)執(zhí)行過(guò)程中的臨時(shí)變量：函數(shù)執(zhí)行過(guò)程中可能需要使用一些臨時(shí)變量，這些變量也會(huì)被存儲(chǔ)在棧中。

堆

在嵌入式C語(yǔ)言中，堆是一個(gè)動(dòng)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(dòng)態(tài)分配的對(duì)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(huì)隨著函數(shù)的調(diào)用而自動(dòng)釋放，需要程序員手動(dòng)管理。

1. 動(dòng)態(tài)分配的對(duì)象：在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配的對(duì)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(chǔ)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(yùn)行期間需要一直存在的全局變量可以存儲(chǔ)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(chǔ)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(xiě)嵌入式C代碼時(shí)需要格外注意棧的使用。如果?？臻g不夠，可能會(huì)導(dǎo)致棧溢出，這會(huì)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?xiě)代碼時(shí)需要預(yù)估每個(gè)函數(shù)所需要的?？臻g，并合理設(shè)置棧的大小，以確保?？臻g不會(huì)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(lái)代替局部變量，這樣可以避免在棧中分配過(guò)多的空間。
4. 使用堆內(nèi)存：對(duì)于較大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或需要?jiǎng)討B(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(fèi)和棧溢出的風(fēng)險(xiǎn)。

堆

1. 避免過(guò)度分配內(nèi)存：在使用堆內(nèi)存時(shí)，應(yīng)該盡量避免過(guò)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(dòng)態(tài)分配過(guò)多的內(nèi)存。
2. 及時(shí)釋放內(nèi)存：在程序不再使用某個(gè)內(nèi)存塊時(shí)，應(yīng)該及時(shí)釋放它，避免內(nèi)存泄漏的問(wèn)題。同時(shí)，在釋放內(nèi)存時(shí)，也應(yīng)該確保不會(huì)釋放已經(jīng)被釋放的內(nèi)存塊，避免重復(fù)釋放的問(wèn)題。
3. 避免內(nèi)存碎片：在頻繁地分配和釋放小塊內(nèi)存時(shí)，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(xiàn)程安全：在多線(xiàn)程環(huán)境下使用堆內(nèi)存時(shí)，需要確保線(xiàn)程安全，避免出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件和死鎖的問(wèn)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。