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          [跟我學(xué)嵌入式開發(fā)] 堆和棧

          作者: 時間:2016-11-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          堆(heap)和棧(stack)是非常重要的概念,當(dāng)我們進行程序開發(fā)時理解它們非常重要,尤其是對于嵌入式系統(tǒng)開發(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設(shè)計程序,否則很容易造成棧溢出。

          從本質(zhì)上說,堆和棧都是內(nèi)存,那么我們只能從概念上對其進行區(qū)分了。為了方便說明,現(xiàn)在假設(shè)嵌入式軟件是一個單體程序(這一術(shù)語并不是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的專用術(shù)語,是我為了方便說明而使用的),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可執(zhí)行程序當(dāng)中的,比如,來自WindRiver的VxWorks就是采用這種方式的。我們知道一個可執(zhí)行程序存在最為重要的三個段。.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(shù)據(jù),當(dāng)boot loader(請參見《什么是boot loader》)加載程序文件時,會將程序文件中的.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一個初始化的,但實際上boot loader是對所有的全局變量通過將程序文件中的.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,只是根據(jù)程序文件中的.bss信息對內(nèi)存中的.bss塊進行清零操作。

          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)??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(tǒng)我們在此并不用關(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運行時,其會讀取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,會將其自身的內(nèi)容給覆蓋掉,從而造成自己無法正常運行。地址的規(guī)劃是我們設(shè)計boot loader時需要考慮到的。圖中我們只示例了一個中斷向量表,其實,很有可能boot loader內(nèi)存區(qū)也有一個中斷向量表,是供boot loader運行時用的。還有就是有一塊臨時的??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(diào)的是boot loader與單體程序并不會同時運行,當(dāng)boot loader運行完了以后,會調(diào)轉(zhuǎn)到單體程序的入口處開始運行,入口地址顯然應(yīng)當(dāng)位于內(nèi)存的.text段。而單體程序在一開始運行時(此時操作系統(tǒng)還沒有起作用),仍是需要一塊小的內(nèi)存作為棧來使用,以便能進行函數(shù)調(diào)用。根據(jù)不同的設(shè)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(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)暫時還沒有使用用途。

          圖 1
          一旦boot loader運行了我們的單體程序,我們說boot loader就不存在了,那此時boot loader所占用的內(nèi)存空間也就釋放出來了,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做什么呢?做堆!在單體程序中的操作系統(tǒng)部分,會提供一定的管理模塊來管理這塊堆,并提供API(Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口)讓我們調(diào)用,從而實現(xiàn)從堆中分配或是釋放內(nèi)存,這些API類似于C語言中的malloc ()/free ()。堆在管理上有一個特點,從堆中分配出來的內(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類型是占用內(nèi)存最多的數(shù)據(jù)類型且是8字節(jié),那么堆分配出來的內(nèi)存就必須保證是以8字節(jié)為邊界的。這一點請讀者想一想為什么?除了采用動態(tài)的內(nèi)存分配,在嵌入式系統(tǒng)中通常還會采用固定大小內(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)存在使用的過程中不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

          圖 2
          堆我們說過了,那接下來我們看一看如果我們的單體程序繼續(xù)運行,會出現(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往往需要創(chuàng)建多個任務(wù)來實現(xiàn)其應(yīng)用功能。對于每一個任務(wù),它一塊內(nèi)存是私有的,那就是棧!當(dāng)任務(wù)運行時,其需要用棧來做為函數(shù)調(diào)用時的參數(shù)傳遞空間,以及用棧來存儲函數(shù)內(nèi)的局部變量。假設(shè)我們的單體程序需要創(chuàng)建兩個任務(wù)A和B,這需要通過調(diào)用操作系統(tǒng)中的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)來達到這一目的。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)會調(diào)用堆分配API為任務(wù)分配棧,此時的內(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堆空間以實現(xiàn)其業(yè)務(wù)邏輯。
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          關(guān)鍵詞: 嵌入式開發(fā)堆和

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