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[跟我學(xué)嵌入式開(kāi)發(fā)] 堆和棧

作者： 時(shí)間：2016-11-28 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò ) 收藏
堆（heap）和棧（stack）是非常重要的概念，當我們進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)時(shí)理解它們非常重要，尤其是對于嵌入式系統開(kāi)發(fā)。比如在嵌入式系統中，任務(wù)的棧通常都很小，可能也就幾K字節。在這種情況下，我們就應當盡可能不要將占用內存大的變量分配在棧上，而是應當分配在堆上；此外，也盡量不要采用遞歸的方式來(lái)設計程序，否則很容易造成棧溢出。

從本質(zhì)上說(shuō)，堆和棧都是內存，那么我們只能從概念上對其進(jìn)行區分了。為了方便說(shuō)明，現在假設嵌入式軟件是一個(gè)單體程序（這一術(shù)語(yǔ)并不是嵌入式系統開(kāi)發(fā)中的專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)，是我為了方便說(shuō)明而使用的），也就是操作系統和我們的應用程序是被編譯在同一個(gè)可執行程序當中的，比如，來(lái)自WindRiver的VxWorks就是采用這種方式的。我們知道一個(gè)可執行程序存在最為重要的三個(gè)段。.text段用于存放程序的代碼，即放的是處理器的運行指令。.data用于存放初始化好的數據，當boot loader（請參見(jiàn)《什么是boot loader》）加載程序文件時(shí)，會(huì )將程序文件中的.data段拷貝到內存的VMA（Virtual Memory Address，在《熟悉binutils工具集》中有所提及，在嵌入式系統中絕大部分不用虛擬內存，因此，VMA就是實(shí)地址）處，從而完成變量的初始化操作。雖然，我們在C/C++程序中是對全局變量一個(gè)一個(gè)初始化的，但實(shí)際上boot loader是對所有的全局變量通過(guò)將程序文件中的.data段拷貝到內存中一次性的完成初始化的。.bss段用于存放沒(méi)有初始化好的變量，程序文件中并不存放.bss段的具體內容，只是存有.bss段的起始地址和大小，當boot loader加載我們的嵌入式程序文件時(shí)，只是根據程序文件中的.bss信息對內存中的.bss塊進(jìn)行清零操作。

圖 1示例了boot loader與我們的單體程序共存的一個(gè)內存和FLASH映射快照。其中我們假設內存的大小是8M字節?？梢钥闯鲈贔LASH上即存放了boot loader程序，又存放了我們的單體程序，至于FLASH上是否有文件系統我們在此并不用關(guān)心。在內存中你可以看出也存在一塊boot loader區，這一塊區是由FLASH中的boot loader將自己加載到內存中的，以便加快運行速度，可以想像這塊內存區是最早被拷貝到內存中的。當內存中的boot loader運行時(shí)，其會(huì )讀取FLASH中的單體程序，這一單體程序通常是ELF格式的。其中的ELF頭指示了各段的VMA地址和大小以及各段內容在單體程序中的偏移地址。boot loader通過(guò)ELF頭信息，將.texe段和.data段從FLASH拷貝到內存中。顯然，boot loader和單體程序在內存中所占用的地址空間是不能重疊的，否則當boot loader將單體程序從FLASH拷貝到內存時(shí)，會(huì )將其自身的內容給覆蓋掉，從而造成自己無(wú)法正常運行。地址的規劃是我們設計boot loader時(shí)需要考慮到的。圖中我們只示例了一個(gè)中斷向量表，其實(shí)，很有可能boot loader內存區也有一個(gè)中斷向量表，是供boot loader運行時(shí)用的。還有就是有一塊臨時(shí)的?？臻g，這一空間可以是boot loader和單體程序共同使用的，對于共同使用，需要強調的是boot loader與單體程序并不會(huì )同時(shí)運行，當boot loader運行完了以后，會(huì )調轉到單體程序的入口處開(kāi)始運行，入口地址顯然應當位于內存的.text段。而單體程序在一開(kāi)始運行時(shí)（此時(shí)操作系統還沒(méi)有起作用），仍是需要一塊小的內存作為棧來(lái)使用，以便能進(jìn)行函數調用。根據不同的設計，我們可以在單體程序運行的初始階段使用與boot loader相同的棧，當然也可以使用不同的棧。這里我們假設使用相同的棧。從圖1中，我們可以看出，內存中還存在很大的一塊閑置區，這一塊區暫時(shí)還沒(méi)有使用用途。

圖 1
一旦boot loader運行了我們的單體程序，我們說(shuō)boot loader就不存在了，那此時(shí)boot loader所占用的內存空間也就釋放出來(lái)了，如圖 2所示。從圖中可以看出內存中的閑置空間加大了。那閑置空間被我們的單體程序用來(lái)做什么呢？做堆！在單體程序中的操作系統部分，會(huì )提供一定的管理模塊來(lái)管理這塊堆，并提供API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）讓我們調用，從而實(shí)現從堆中分配或是釋放內存，這些API類(lèi)似于C語(yǔ)言中的malloc ()/free ()。堆在管理上有一個(gè)特點(diǎn)，從堆中分配出來(lái)的內存應當是以某一大小字節為邊界的。比如，如果CPU中的double類(lèi)型是占用內存最多的數據類(lèi)型且是8字節，那么堆分配出來(lái)的內存就必須保證是以8字節為邊界的。這一點(diǎn)請讀者想一想為什么？除了采用動(dòng)態(tài)的內存分配，在嵌入式系統中通常還會(huì )采用固定大小內存塊的分配方法，這種分配方法的好處是非常的快，而且這種內存在使用的過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生內存碎片。

圖 2
堆我們說(shuō)過(guò)了，那接下來(lái)我們看一看如果我們的單體程序繼續運行，會(huì )出現什么樣的內存布局。我們知道，通常我們的單體程序在初始化時(shí)往往需要創(chuàng )建多個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現其應用功能。對于每一個(gè)任務(wù)，它一塊內存是私有的，那就是棧！當任務(wù)運行時(shí)，其需要用棧來(lái)做為函數調用時(shí)的參數傳遞空間，以及用棧來(lái)存儲函數內的局部變量。假設我們的單體程序需要創(chuàng )建兩個(gè)任務(wù)A和B，這需要通過(guò)調用操作系統中的任務(wù)創(chuàng )建函數來(lái)達到這一目的。操作系統所提供的任務(wù)創(chuàng )建API往往需要我們指定任務(wù)棧的大小，有的甚至可以指定棧內存空間。一旦任務(wù)創(chuàng )建的API被調用，那么操作系統會(huì )調用堆分配API為任務(wù)分配棧，此時(shí)的內存布局如圖 3所示。任務(wù)創(chuàng )建完了以后，各任務(wù)就可以根據應用程序邏輯的需要審請堆空間以實(shí)現其業(yè)務(wù)邏輯。
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