? 堆（heap）和棧（stack）是非常重要的概念，當我們進行程序開發時理解它們非常重要，尤其是對于嵌入式系統開發。比如在嵌入式系統中，任務的棧通常都很小，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設計程序，否則很容易造成棧溢出。
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??? 從本質上說，堆和棧都是內存，那么我們只能從概念上對其進行區分了。為了方便說明，現在假設嵌入式軟件是一個單體程序（這一術語并不是嵌入式系統開發中的專用術語，是我為了方便說明而使用的），也就是操作系統和我們的應用程序是被編譯在同一個可執行程序當中的，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據，當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，只是根據程序文件中的.bss信息對內存中的.bss塊進行清零操作。
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? ? boot loader與我們的單體程序共存的一個內存和FLASH映射快照。其中我們假設內存的大小是8M字節。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上是否有文件系統我們在此并不用關心。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，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，會將其自身的內容給覆蓋掉，從而造成自己無法正常運行。地址的規劃是我們設計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內存區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棧空間，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與單體程序并不會同時運行，當boot loader運行完了以后，會調轉到單體程序的入口處開始運行，入口地址顯然應當位于內存的.text段。而單體程序在一開始運行時（此時操作系統還沒有起作用），仍是需要一塊小的內存作為棧來使用，以便能進行函數調用。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，這一塊區暫時還沒有使用用途。
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??? 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所占用的內存空間也就釋放出來了，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做什么呢？做堆！在單體程序中的操作系統部分，會提供一定的管理模塊來管理這塊堆，并提供API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）讓我們調用，從而實現從堆中分配或是釋放內存，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存應當是以某一大小字節為邊界的。比如，如果CPU中的double類型是占用內存最多的數據類型且是8字節，那么堆分配出來的內存就必須保證是以8字節為邊界的。這一點請讀者想一想為什么？除了采用動態的內存分配，在嵌入式系統中通常還會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程中不會產生內存碎片。

??? 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運行，會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往往需要創建多個任務來實現其應用功能。對于每一個任務，它一塊內存是私有的，那就是棧！當任務運行時，其需要用棧來做為函數調用時的參數傳遞空間，以及用棧來存儲函數內的局部變量。假設我們的單體程序需要創建兩個任務A和B，這需要通過調用操作系統中的任務創建函數來達到這一目的。操作系統所提供的任務創建API往往需要我們指定任務棧的大小，有的甚至可以指定棧內存空間。一旦任務創建的API被調用，那么操作系統會調用堆分配API為任務分配棧，此時的內存布局如圖 3所示。任務創建完了以后，各任務就可以根據應用程序邏輯的需要審請堆空間以實現其業務邏輯。

??? 對于堆我們已經知道了必須調用相應的API來分配內存，那從棧空間分配內存也需要調用API嗎？答案是通常不需要，為什么是通常？因為，在有的平臺上（Linux上就是）提供棧空間的分配API，即這種API被調用時，是從調用任務的棧空間中分配內存的。對于這一功能，在嵌入式系統中使用得非常的少，我也不建議大家使用。對于下面的代碼，mem_main、mem_foo和mem_bar的大小是4K字節（假設int類型的大小是4字節），這些內存就是自動（注意是自動）分配在運行任務的棧上的。我們假設某個任務當前所使用的棧是零字節，當這一任務運行到main中且沒有進入foo ()時，其所占用的空間大小是大約4K字節，之所以用大約這個詞，是因為函數的調用還有其它的棧開銷。一旦任務運行進入foo ()函數但沒有進入bar ()函數，那么所占用的棧的大小就變為大約8K字節。同樣的，如果程序運行進入bar ()函數，那么所占用的棧空間大約就是12K字節了。
00001:?void?bar?() 00002:?{ 00003:?????int?mem_bar?[1024]; 00004:?????// application logic 00005:?} 00006: 00007:?void?foo?() 00008:?{ 00009:?????int?mem_foo?[1024]; 00010:?????bar?(); 00011:?} 00012: 00013:?int?main?() 00014:?{ 00015:?????int?mem_main?[1024]; 00016:?????foo?(); 00017:?????return 0; 00018:?}
??? 如果程序繼續運行，從bar ()函數返回到foo ()函數中，那么其所占用的棧空間就從大約12K字節變成了大約8K字節了。相類似的是，如果程序從foo ()函數中返回到main ()函數，那么所占用的棧空間又變為大約4K字節了。對于嵌入式系統開發，由于任務棧通常都比較的小，那這告訴我們什么呢？我想有以下幾點需要注意。
??? 1）函數的調用深度越是深，由于每一級的函數通常都會有局部變量，那么所使用的棧空間也會累積得越大。
??? 2）遞歸調用需要的棧空間會相對的大（視具體的情況），在嵌入式系統中也建議少用。
??? 3）我們應當盡可能的不要在函數中定義占用內存空間較大的局部變量。

??? 下面，我們總結一下堆與棧的區別，它們是：
??? 1）堆是大家共享的。任務可以通過調用API來從堆中分配內存空間。
??? 2）棧是任務所獨有的。在嵌入式系統中，當一個任務創建起來后其棧空間的大小往往是定了的。函數中的局部變量是由編程語言自動從棧上分配的，我們不需要調用API進行空間分配。
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??? 最后我有一個問題留給讀者您，這個問題是：
??? 前面的講解中，我們說任務的棧是由操作系統的任務創建API從堆中分配出來的，那棧是否也可以位于.data段或是.bss段中呢？為什么？

答案
??? 由于堆從本質上說來就是一塊內存，由于在C語言中一塊內存可以從堆中分配，也可以從.data段或是.bss段中分配。因此，任務的棧也是可以從這三塊內存中分配獲得，也就是說最終的答案是：可以。
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的堆和栈详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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