嵌入式C语言之堆和栈介绍

前言

在嵌入式C语言中，堆和栈都是用来存储变量的内存区域，但它们在存储和使用变量方面有很大的区别。

堆和栈的主要区别在于它们的分配和释放方式。栈是由编译器自动分配和释放的，存储在栈中的变量的生命周期与函数调用的生命周期相同。每次函数调用时，栈会自动分配一些内存用于存储函数的参数、局部变量和返回地址等信息，当函数返回时，栈中的这些变量和信息会自动被释放。

需要注意的是，堆和栈的大小都是有限制的。栈的大小通常受限于系统的硬件资源和操作系统的限制，而堆的大小通常受限于操作系统的内存管理策略和硬件资源。如果在程序中使用了过多的堆或栈内存，可能会导致栈溢出或堆溢出等内存错误，从而导致程序崩溃或行为不可预测。因此，在编写嵌入式C程序时，应该合理地使用堆和栈内存，避免出现内存错误。

一、堆和栈的概念

区别：

堆和栈都是内存中的一段连续区域，用于存储数据。它们之间的区别在于：

栈是由编译器自动管理的，其内存分配和释放都由编译器负责，开发者无法直接控制。而堆是由开发者手动管理的，需要通过调用相关的函数来申请和释放内存空间。

• 栈是一种先进后出（LIFO）的数据结构，通常位于内存的高地址区域。栈的特点是具有自动分配和释放内存的能力，每次函数调用时，程序会自动为该函数分配一个栈帧，并在函数返回时自动释放栈帧。由于栈的内存分配和释放由编译器自动完成，因此程序员无需手动管理栈内存。栈内存主要用于存储局部变量、函数参数和返回值等数据。
• 堆是一种动态数据结构，通常位于内存的低地址区域。堆的特点是可以在运行时动态分配和释放内存，程序员可以通过malloc、calloc等函数手动申请一块指定大小的内存空间，并在使用完毕后手动释放该内存空间。堆内存主要用于存储动态分配的数据，如数组、结构体和对象等。

堆的定义：

堆是指存放在内存中的一块动态分配的区域，它的大小是不固定的，可以在程序运行时动态地分配和释放。堆的分配和释放由程序员来控制，程序员需要手动地分配堆的内存空间，并在不需要时释放它。堆是一种动态分配的内存区域，通常用于存储一些比较大的数据结构，例如数组和结构体等。

栈的定义

栈是指存放在内存中的一块静态分配的区域，它的大小是固定的，不能在程序运行时动态地分配和释放。栈的分配和释放由系统自动控制，系统会自动地为每个线程分配一块栈空间。栈是一种后进先出（Last In First Out，LIFO）的数据结构，通常用于存储一些较小的数据，例如基本数据类型和函数的参数等。

堆的实现方式及存放数据类型

堆是动态内存分配中的一种方式，其内存空间是在程序运行期间从系统中申请的，因此能够更加灵活地利用内存空间。堆的实现方式一般是通过malloc、calloc、realloc等函数来实现。这些函数会在系统的堆空间中申请一块指定大小的内存空间，并返回一个指向该内存空间的指针。

堆可以存放各种类型的数据，包括基本数据类型、数组、结构体、指针等等。下面以数组和结构体为例，分别演示在堆中动态分配内存空间的方法。

栈和堆的异同点

内存分配和释放方式不同

栈内存是由编译器自动分配和释放的，它的生命周期与函数的生命周期相同。每当函数被调用时，编译器将自动为该函数分配一块内存，用于存储该函数的局部变量、参数、返回值以及函数的返回地址等信息。当函数执行完毕后，编译器将自动释放该函数的内存空间。

堆内存是由程序员动态分配和释放的。程序员可以根据需要动态地分配内存空间，同时在不再需要该内存空间时手动释放它。堆内存的生命周期由程序员决定，因此程序员必须确保及时释放堆内存，以避免内存泄漏。

举例：

1#include 
 2#include 
 3
 4void foo(int n) {
 5    int x = n * n;
 6    printf("x = %d\\n", x);
 7}
 8
 9int main() {
10    int a = 10;
11    foo(a);
12
13    int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
14    *p = 20;
15    printf("*p = %d\\n", *p);
16    free(p);
17
18    return 0;
19}

在上面的示例中，变量a是一个整型变量，它被存储在栈上。函数foo也被存储在栈上，它的参数n和局部变量x也被存储在栈上。变量p是一个指向整型变量的指针，它被存储在栈上，但它指向的内存空间是在堆上动态分配的。在代码的结尾，使用free函数手动释放了p指向的堆内存。

访问速度不同

栈的内存访问速度比堆快，因为栈内存是连续的，可以直接通过指针访问，而堆内存是非连续的，需要通过指针间接访问。

内存大小不同

栈的内存大小通常受到系统的限制，可以通过调整系统栈大小来改变栈的容量。而堆的内存大小通常受到系统内存的限制，可以通过调用malloc、calloc等函数来动态分配内存空间。

数据存储方式

栈中存储的数据通常是局部变量、参数、返回地址等信息。由于栈的特殊结构，栈中的数据存储方式是先进后出，即后进先出。

堆中存储的数据通常是程序员动态分配的内存，例如动态数组、链表等。由于堆的灵活性，堆中的数据存储方式并不固定。

两者存放的数据

栈中存放的数据

在嵌入式系统中，C语言栈是用于存储局部变量、函数参数和返回地址等信息的一段连续的内存空间。通常情况下，栈空间是在程序运行时动态分配的，大小由编译器决定。主要是如下几类：

• 函数的参数：在函数调用时，参数会被压入栈中，以供函数使用。
• 函数的局部变量：函数内部定义的局部变量会被存储在栈中，函数执行完毕后，这些变量会被销毁。
• 函数调用的返回地址：在函数调用时，程序需要记录下一个返回地址，以便函数执行完毕后返回到正确的位置，这个返回地址也被存储在栈中。
• 函数执行过程中的临时变量：函数执行过程中可能需要使用一些临时变量，这些变量也会被存储在栈中。

堆

在嵌入式C语言中，堆是一个动态分配内存的区域，它通常用于存放一些较大的数据结构、动态分配的对象和需要在函数调用之间传递的数据。与栈不同，堆中的数据不会随着函数的调用而自动释放，需要程序员手动管理。

1. 动态分配的对象：在运行时动态分配的对象，如结构体、数组、字符串等。
2. 大型数据结构：堆可以存储较大的数据结构，如图像、音频、视频等。
3. 全局变量：在程序运行期间需要一直存在的全局变量可以存储在堆中。

需要在函数调用之间传递的数据：有些数据需要在函数调用之间传递，但是它们的大小超出了栈的容量限制，这些数据可以存储在堆中。

如何避免溢出？

栈

在嵌入式系统中，栈的大小是有限的，因此在编写嵌入式C代码时需要格外注意栈的使用。如果栈空间不够，可能会导致栈溢出，这会破坏程序的正常执行，甚至导致系统崩溃。

1. 合理设置栈的大小：在编写代码时需要预估每个函数所需要的栈空间，并合理设置栈的大小，以确保栈空间不会被耗尽。
2. 减少递归调用：递归调用可能导致栈空间的大量消耗，因此应该尽量避免在嵌入式系统中使用递归调用。
3. 使用静态变量或全局变量：在需要保存状态的情况下，可以考虑使用静态变量或全局变量来代替局部变量，这样可以避免在栈中分配过多的空间。
4. 使用堆内存：对于较大的数据结构或需要动态分配内存的情况，可以考虑使用堆内存，这样可以避免栈空间的浪费和栈溢出的风险。

堆

1. 避免过度分配内存：在使用堆内存时，应该尽量避免过度分配内存。如果程序需要的内存大小能够预估，可以提前分配足够的内存，避免动态分配过多的内存。
2. 及时释放内存：在程序不再使用某个内存块时，应该及时释放它，避免内存泄漏的问题。同时，在释放内存时，也应该确保不会释放已经被释放的内存块，避免重复释放的问题。
3. 避免内存碎片：在频繁地分配和释放小块内存时，容易导致内存碎片的产生。为了避免内存碎片，可以使用内存池等技术优化内存管理。
4. 确保线程安全：在多线程环境下使用堆内存时，需要确保线程安全，避免出现竞争条件和死锁的问题。
5. 避免堆溢出：堆溢出是指堆中的内存使用超出了堆的容量限制，导致程序崩溃或出现不可预期的行为。为了避免堆溢出，需要合理设置堆的大小，并进行严格的内存管理。