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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(dāng)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(duì)于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。比如在嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)的棧通常都很小，可能也就幾K字節(jié)。在這種情況下，我們就應(yīng)當(dāng)盡可能不要將占用內(nèi)存大的變量分配在棧上，而是應(yīng)當(dāng)分配在堆上；此外，也盡量不要采用遞歸的方式來(lái)設(shè)計(jì)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(nèi)存，那么我們只能從概念上對(duì)其進(jìn)行區(qū)分了。為了方便說(shuō)明，現(xiàn)在假設(shè)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(tǒng)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(tǒng)和我們的應(yīng)用程序是被編譯在同一個(gè)可執(zhí)行程序當(dāng)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(zhí)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(yùn)行指令。.data用于存放初始化好的數(shù)據(jù)，當(dāng)boot loader（請(qǐng)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(nèi)存的VMA（Virtual Memory Address，在《熟悉binutils工具集》中有所提及，在嵌入式系統(tǒng)中絕大部分不用虛擬內(nèi)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?cè)贑/C++程序中是對(duì)全局變量一個(gè)一個(gè)初始化的，但實(shí)際上boot loader是對(duì)所有的全局變量通過(guò)將程序文件中的.data段拷貝到內(nèi)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(nèi)容，只是存有.bss段的起始地址和大小，當(dāng)boot loader加載我們的嵌入式程序文件時(shí)，只是根據(jù)程序文件中的.bss信息對(duì)內(nèi)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(nèi)存和FLASH映射快照。其中我們假設(shè)內(nèi)存的大小是8M字節(jié)。可以看出在FLASH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(tǒng)我們?cè)诖瞬⒉挥藐P(guān)心。在內(nèi)存中你可以看出也存在一塊boot loader區(qū)，這一塊區(qū)是由FLASH中的boot loader將自己加載到內(nèi)存中的，以便加快運(yùn)行速度，可以想像這塊內(nèi)存區(qū)是最早被拷貝到內(nèi)存中的。當(dāng)內(nèi)存中的boot loader運(yùn)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(nèi)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(nèi)存中。顯然，boot loader和單體程序在內(nèi)存中所占用的地址空間是不能重疊的，否則當(dāng)boot loader將單體程序從FLASH拷貝到內(nèi)存時(shí)，會(huì)將其自身的內(nèi)容給覆蓋掉，從而造成自己無(wú)法正常運(yùn)行。地址的規(guī)劃是我們?cè)O(shè)計(jì)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(nèi)存區(qū)也有一個(gè)中斷向量表，是供boot loader運(yùn)行時(shí)用的。還有就是有一塊臨時(shí)的棧空間，這一空間可以是boot loader和單體程序共同使用的，對(duì)于共同使用，需要強(qiáng)調(diào)的是boot loader與單體程序并不會(huì)同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)boot loader運(yùn)行完了以后，會(huì)調(diào)轉(zhuǎn)到單體程序的入口處開(kāi)始運(yùn)行，入口地址顯然應(yīng)當(dāng)位于內(nèi)存的.text段。而單體程序在一開(kāi)始運(yùn)行時(shí)（此時(shí)操作系統(tǒng)還沒(méi)有起作用），仍是需要一塊小的內(nèi)存作為棧來(lái)使用，以便能進(jìn)行函數(shù)調(diào)用。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，我們可以在單體程序運(yùn)行的初始階段使用與boot loader相同的棧，當(dāng)然也可以使用不同的棧。這里我們假設(shè)使用相同的棧。從圖1中，我們可以看出，內(nèi)存中還存在很大的一塊閑置區(qū)，這一塊區(qū)暫時(shí)還沒(méi)有使用用途。

圖 1
一旦boot loader運(yùn)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(nèi)存空間也就釋放出來(lái)了，如圖 2所示。從圖中可以看出內(nèi)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(tǒng)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(yīng)用程序編程接口）讓我們調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)從堆中分配或是釋放內(nèi)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(nèi)存應(yīng)當(dāng)是以某一大小字節(jié)為邊界的。比如，如果CPU中的double類(lèi)型是占用內(nèi)存最多的數(shù)據(jù)類(lèi)型且是8字節(jié)，那么堆分配出來(lái)的內(nèi)存就必須保證是以8字節(jié)為邊界的。這一點(diǎn)請(qǐng)讀者想一想為什么？除了采用動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配，在嵌入式系統(tǒng)中通常還會(huì)采用固定大小內(nèi)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(nèi)存在使用的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)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(xù)運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)什么樣的內(nèi)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?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用功能。對(duì)于每一個(gè)任務(wù)，它一塊內(nèi)存是私有的，那就是棧！當(dāng)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，其需要用棧來(lái)做為函數(shù)調(diào)用時(shí)的參數(shù)傳遞空間，以及用棧來(lái)存儲(chǔ)函數(shù)內(nèi)的局部變量。假設(shè)我們的單體程序需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)任務(wù)A和B，這需要通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)中的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)來(lái)達(dá)到這一目的。操作系統(tǒng)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(nèi)存空間。一旦任務(wù)創(chuàng)建的API被調(diào)用，那么操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)用堆分配API為任務(wù)分配棧，此時(shí)的內(nèi)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(jù)應(yīng)用程序邏輯的需要審請(qǐng)堆空間以實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)邏輯。
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