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前段时间分享文章《**从嵌入式编程中感悟「栈」为何方神圣?**》之后,很多朋友问了关于堆栈的问题。今天就写点相关内容,让大家进一步了解堆栈的知识。
1. 引言
我们都知道,堆栈是存储在RAM中的。现在的微控制器(MCU)的RAM相对来说比较大(几十上百K),所以分配给堆栈的空间也足够大。因此,很多人并没有关注堆栈的大小问题。
然而,在过去,微控制器的RAM非常有限,甚至不到1K的大小。因此,过去的工程师更加关注堆栈的大小问题。
对于一个小型项目来说,我们可能并不需要关注堆栈的大小。
但是,如果项目规模变大,那么你就需要关注了,因为堆栈大小设置不合理可能会导致故障。
想要确定堆栈的合适大小,你需要理解堆栈的作用。接下来,我将带大家进一步了解堆栈。
2. 关于堆栈的基础知识
首先,让我们看一下两个经典的知识点。
1. 程序的内存分配
一个由C/C++编译的程序占用的内存可以分为以下几个部分:
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栈区(stack):由编译器自动分配和释放。栈区用于存储函数的参数值、局部变量的值等。它的操作方式类似于数据结构中的栈。
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堆区(heap):通常由程序员手动分配和释放。如果程序员不释放,程序结束时可能由操作系统回收。需要注意的是,堆区与数据结构中的堆是两个不同的概念,堆区的分配方式类似于链表。
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全局区/静态区(static):全局变量和静态变量的存储位置是相同的。初始化的全局变量和静态变量存储在一个区域,而未初始化的全局变量和静态变量存储在相邻的另一个区域。程序结束后,系统会释放这些区域的内存。
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文字常量区:用于存放常量字符串。程序结束后,系统会释放这些区域的内存。
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程序代码区:用于存放函数体的二进制代码。
2. 经典示例程序
int a = 0; //全局初始化区
char *p1; //全局未初始化区
main()
{
int b; //栈
char s[] = "abc"; //栈
char *p2; //栈
char *p3 = "123456"; //123456\0在常量区,p3在栈上。
static int c =0;//全局(静态)初始化区
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20); //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
strcpy(p1, "123456"); //123456\0放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。
}
3结合STM32的开发讲述堆栈
从上面的描述可以看得出来,在代码中是如何占用堆和栈的。
可能很多人还是无法理解,这里再结合STM32的开发过程中与堆栈相关的内容来进行讲述。
1.如何设置STM32的堆栈大小?
这个问题在文章《STM32的启动流程到底是怎样的?》中,讲述了在MDK-ARM、IAR EWARM,以及使用STM32CubeMX设置堆栈大小的方法。
2.栈(Stack)
STM32F1默认设置值0x400,也就是1K大小。
Stack_Size EQU 0x400
函数体内局部变量:
void Fun(void)
{
char i;
int Tmp[256];
//...
}
局部变量总共占用了256*4 + 1字节的栈空间。
所以,在函数内有较多局部变量时,就需要注意是否超过我们配置的堆栈大小。
函数参数:
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
这里要强调一点:传递指针只占4字节,如果传递的是结构体,就会占用结构大小空间。
提示:在函数嵌套,递归时,系统仍会占用栈空间。
3.堆(Heap)
Heap_Size EQU 0x200
默认设置0x200(512)字节。
我们大部分人应该很少使用malloc来分配堆空间。
虽然堆上的数据只要程序员不释放空间就可以一直访问,但是,如果忘记了释放堆内存,那么将会造成内存泄漏,甚至致命的潜在错误。
4拓展:MDK中RAM占用大小分析
经常在线调试的人,可能会分析一些底层的内容。这里结合MDK-ARM来分析一下RAM占用大小的问题。
在MDK编译之后,会有一段RAM大小信息:
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这个大小为0x668,在进行在调试时,会出现:
![image-20240128210746947](https://lxlinux.superbed.verylink.top/item/65b651de871b83018a8ab4e3.png)
这个MSP就是主堆栈指针,一般我们复位之后指向的位置,复位执向的其实是栈顶:
![image-20240128210750011](https://lxlinux.superbed.verylink.top/item/65b651e1871b83018a8ac126.png)
而MSP指向地址0x20000668是0x20000000偏移0x668而得来。
具体哪些地方占用了RAM,可以参看map文件中【Image Symbol Table】处的内容:
![image-20240128210752818](https://lxlinux.superbed.verylink.top/item/65b651df871b83018a8ab661.png)
当然,关于map文件详细分析,可以看我系列教程《Keil系列教程12_map文件全面解析》。
关于堆栈,其实还有很多知识可以拓展,比如:堆栈入栈、出栈,向上、向下增长方式,大小端等。大家可以自己上网了解。
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