堆和栈

堆和栈在内存中分配

可编程内存（RAM）在基本上分为这样的几大部分：静态存储区、堆区和栈区。他们的功能不同，对他们使用方式也就不同。如果没有任何动态内存分配，内存=静态存储区+栈区了。

静态存储区：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。它主要存放静态数据、全局数据和常量。 

栈区：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 

堆区：亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意大小的内存，程序员自己负责在适当的时候用free或delete释放内存。动态内存的生存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存。但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使用，需要将其释放掉，否则，我们认为发生了内存泄漏现象。

一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

（1）栈区（stack）：由编译器自动分配和释放，存放函数的参数值、局部变量的值等，其操作方式类似于数据结构中的栈。

（2）堆区（heap）：一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。分配方式类似于数据结构中的链表。

（3）全局区（静态区）（static）：全局变量和静态变量的存储是放在一块的；初始化的全局变量和初始化的静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统自动释放。

（4）文字常量区：常量字符串就是存放在这里的。程序结束后由系统释放。

（5）程序代码区：存放函数体的二进制代码。

例如：

int   a   =  0;   全局初始化区   char   *p1;   全局未初始化区   int main()   {   int  b;   栈   char  s[]   =   "abc";   栈   char  *p2;   栈   char  *p3   =   "123456";   "123456"在常量区，p3在栈上。   static  int   c   =0；   全局（静态）初始化区   p1  =   (char   *)malloc(10); p1、p2本身是在栈中的  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"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。   }

堆和栈的区别

　　一、堆栈空间分配区别（申请方式）：

　　1、栈（操作系统）：由操作系统自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈；例如，声明在函数中一个局部变量int b; 系统自动在栈中为b开辟空间。

　　2、堆（操作系统）： 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收，分配方式倒是类似于链表。需要程序员自己申请，并指明大小，例如在c中malloc函数，如p1   =   (char  *)malloc(10)，p1本身是在栈中的。

　　二、堆栈缓存方式区别：

　　1、栈使用的是一级缓存， 他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放；

　　2、堆是存放在二级缓存中，生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定（并不是一旦成为孤儿对象就能被回收）。所以调用这些对象的速度要相对来得低一些。

　　三、堆栈数据结构区别：

1、堆（数据结构）：堆可以被看成是一棵树，如：堆排序；

　 2、栈（数据结构）：一种先进后出的数据结构。

 
四、申请后系统的响应：

1、栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。

2、堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，搜索会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的free语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

五、申请大小的限制：

1、栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，栈的大小是一个编译时就确定的常数，如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

2、堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

 

六、申请效率的比较：

1、栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

2、堆是由malloc分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.

 

七、堆和栈中的存储内容：

1、栈：在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。

当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。

2、堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

 

八、存取效率的比较：

chars1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char*s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；

但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆，堆是通过指针需要内存中的内容)快，所以栈的效率更高。

程序在编译期和函数分配内存都是在栈上进行，且程序运行中函数调用时参数的传递也是在栈上进行。

 

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单片机中堆和栈

对于单片机这种封闭代码的运行平台，内存分配有2个大方向：一个是静态变量，一个是动态变量，具体到作用域，又分为局部变量和全局变量。

1、全局静态变量:不管是否调用,它都在那里,比如LZ示例<test.c>的line:11 和line:15,注意这里加了<static>关键字,指明这个变量是并不是真正意义的全局变量,只是在这个文件的所有位置<声明位置以后的所有位置>可用.

2、局部静态变量:和全局静态变量类似,也是不管拉不拉屎先占坑的货,比如LZ示例<test.c>的line:23.特点是加了关键字<static>,意思是在这个位置,它是唯一的.在<find_stack_direction>函数里使用了递归,但局部静态变量是不在递归里重新分配空间的,原子也是通过这个方式来判断两次进入之间的地址关系.。

3、局部动态变量:这个是最常见的,比如LZ示例<test.c>的line:24,在这个示例里,每次声明<神灯啊神灯>,结果出来的都是新的神灯,许了愿就溜掉,是这种变量的特点.它不会记得它曾经是什么.注意,由于每次都喝了孟婆汤,有经验的码农会在召唤时默认赋一个初值,避免出现不可预料的使用.

4、全局动态变量:存在吗?全局可见但又可以踢掉的奇葩吗?抱歉,这句话对<全局>是个误解.<全局>的意思是变量本身没有编译器指定的生命周期,也就是<作用域>,但还有代码指定的生命周期.在LZ的示例里,<堆>就是这么一个东西,代码说<你在>就在,<你不在>就不在.申请了堆后,只要谁(任何位置的代码)知道这个位置是可以用的,谁都可以用(**具有进程内存保护的平台除外**),即使申请空间的变量<挂了>,这个空间也一直存在,直到有代码把它<销毁>掉.

刚接手STM32时，你只编写一个

int main(){    while (1);}

编译输出

  1 004 bytes of readonly  code memory

  4 096 bytes of readwrite data memory

编译后，就会发现这么个程序已用了4096的RAM，要是在51单片机上，会心疼死了，这4096的RAM跑哪儿去了？

分析map,你会发现是堆和栈占用的，在startup_stm32f10x_hd.s文件中，它的前面几行就有以下定义：

/*-Specials-*/

define symbol__ICFEDIT_intvec_start__ = 0x08000000;

/*-Memory Regions-*/

define symbol__ICFEDIT_region_ROM_start__ = 0x08000000;

define symbol__ICFEDIT_region_ROM_end__   =0x0807FFFF;

define symbol__ICFEDIT_region_RAM_start__ = 0x20000000;

define symbol__ICFEDIT_region_RAM_end__   =0x2000FFFF;

/*-Sizes-*/

define symbol__ICFEDIT_size_cstack__ = 0x1000;

define symbol__ICFEDIT_size_heap__   = 0x1000;

/**** End of ICFeditor section. ###ICF###*/

 

…

 

place inROM_region   { readonly };

place inRAM_region   { readwrite,

                        block CSTACK, blockHEAP };

 

其中

size_cstack会影响readwrite data memory的大小，但是不会影响hex文件。一般程序，（在允许范围内）设置多少STACK，并不影响程序真实使用的RAM大小，程序还是按照它原本的状态使用RAM，把STACK设置为0，并不是真实地减少RAM使用。而设置一定size的STACK，也并不是真的就多使用了RAM，只是让编译器帮你检查一下，是否能够保证有size大小的RAM没有被占用，可以用来作为堆栈。

size_heap随便定义不会影响到编译的文件大小，也就是编译器不会对堆大小进行检测。

堆和栈总值不能超过单片机硬件的实际RAM尺寸。

函数的局部变量,都是存放在"栈"里面,栈的英文是:STACK.STACK的大小,我们可以在stm32的启动文件里面设置：

Stack_Size      EQU    0x00000800

表示栈大小是0X800,也就是2048字节.这样,CPU处理任务的时候,函数局部变量做多可占用的大小就是:2048字节,注意:是所有在处理的函数,包括函数嵌套,递归,等等,都是从这个"栈"里面,来分配的.

所以,如果一个函数的局部变量过多,比如在函数里面定义一个u8buf[512],这一下就占了1/4的栈大小了,再在其他函数里面来搞两下,程序崩溃是很容易的事情,这时候,一般你会进入到hardfault....

这是初学者非常容易犯的一个错误.切记不要在函数里面放N多局部变量,尤其有大数组的时候!

1.堆和栈大小

定义大小在startup_stm32f2xx.s

Stack_Size  EQU  0x00000400

AREA  STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 

Stack_Mem  SPACE  Stack_Size 

__initial_sp

; Heap Configuration 

;  Heap Size (in Bytes) <0x0-0xFFFFFFFF:8> 

;

Heap_Size  EQU  0x00000200

AREA  HEAP, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3 

__heap_base

2.堆和栈位置

通过MAP文件可知

HEAP  0x200106f8  Section  512 startup_stm32f2xx.o(HEAP) 

STACK  0x200108f8  Section  1024 startup_stm32f2xx.o(STACK)

__heap_base  0x200106f8  Data  0 startup_stm32f2xx.o(HEAP) 

__heap_limit  0x200108f8  Data  0 startup_stm32f2xx.o(HEAP) 

__initial_sp  0x20010cf8  Data  0 startup_stm32f2xx.o(STACK)

显然Cortex-m3资料可知：__initial_sp是堆栈指针，它就是FLASH的0x8000000地址前面4个字节（它根据堆栈大小，由编译器自动生成）

显然堆和栈是相邻的。

3.堆和栈空间分配

栈：向低地址扩展，

堆：向高地址扩展，

显然如果依次定义变量

先定义的栈变量的内存地址比后定义的栈变量的内存地址要大

先定义的堆变量的内存地址比后定义的堆变量的内存地址要小

4.堆和栈变量

栈：临时变量，退出该作用域就会自动释放

堆：malloc变量，通过free函数释放

另外：堆栈溢出，编译不会提示，需要注意

 

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 堆栈使用注意事项

如果使用了HEAP，则必须设置HEAP大小。 

如果是STACK，可以设置为0，不影响程序运行。 

IAR STM8定义STACK,是预先在RAM尾端分配一个字节的区域作为堆栈预留区域。 

当程序静态变量，全局变量，或者堆与预留堆栈区域有冲突，编译器连接的时候就会报错。 

你可以吧STACK设置为0,并不影响运行。(会影响调试，调试会报堆栈溢出警告)。 

其实没必要这么做。 

一般程序，（在允许范围内）设置多少STACK，并不影响程序真实使用的RAM大小， 

(可以试验，把STACK设置多少，编译出来的HEX文件都是一样), 

程序还是按照它原本的状态使用RAM，把STACK设置为0，并不是真实地减少RAM使用。 

仅仅是欺骗一下编译器，让程序表面上看起来少用了RAM。 

而设置一定size的STACK，也并不是真的就多使用了RAM，只是让编译器帮你 

检查一下，是否能够保证有size大小的RAM没有被占用，可以用来作为堆栈。 

以上仅针对IAR STM8.

 

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int arr[1024] = {0};

char *p;

 

int main()

{

    for (int i = 0; i < sizeof(arr); i++)

         arr[i] = i;

    p = (char *)malloc(1024);

    while(1);

}

 

 

 

单片机的堆和栈是分配在RAM里的，有可能是内部也有可能是外部，可以读写；

栈：存函数的临时变量，即局部变量，函数返回时随时有可能被其他函数栈用。所以栈是一种分时轮流使用的存储区，

     编译器里定义的Stack_Size，是为了限定函数的局部数据活动的范围，操过这么范围有可以跑飞，也就是栈溢出；

    Stack_Size不影响Hex，更不影响Hex怎么运行的，只是在Debug调试时会提示错。栈溢出也有是超过了国界进行

    活动，只要老外没有意见，你可以接着玩，有老外不让你玩，你就的得死，或是大家都死（互相撕杀），有的人写

    单片机代码在函数里定义一个大数组 intbuf[8192]，栈要是小于8192是会死的很惨。

 

堆：存的是全局变量，这变量理论上是所有函数都可以访问的，全局变量有的有初始值，但这个值不是存在RAM里的，是

    存在Hex里，下载到Flash里，上电由代码（编译器生成的汇编代码）搬过去的。有的人很“霸道”，上电就霸占已一块很

   大的RAM（Heap_Size），作为己有(malloc_init)，别人用只能通过他们管家借(malloc)，用完还得换(free)。所以  

    一旦有“霸道”的人出现是编译器里必须定义Heap_Size，否则和他管家借也没有用。

 

总之：堆和栈都存在RAM里，他两各分多少看函数需求，但是他两的总值不能超过单片机硬件的实际RAM尺寸，否则只能

     到海里玩（淹死了）或是自己打造船接着玩(外扩RAM)。