堆栈的作用是什么?试说明工作原理

本文深入解析了计算机科学中的堆栈概念,区分了堆和栈这两种重要的数据结构及其在内存管理中的应用,包括它们的特点、区别及操作方式。

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在计算机领域,堆栈是一个不容忽视的概念,但是很多人甚至是计算机专业的人也没有明确堆栈其实是两种数据结构。
  堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构,只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。
  要点:
  堆:顺序随意
  栈:后进先出(Last-In/First-Out)
编辑本段堆和栈的区别
  一、预备知识—程序的内存分配 
  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) — 一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表。 
  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。 - 程序结束后由系统释放。
  4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 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。 
  二、例子程序 
  这是一个前辈写的,非常详细 
  //main.cpp 
  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。
编辑本段堆和栈的理论知识
  1.申请方式 
  
  stack: 
  由系统自动分配。 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 
  heap: 
  需要程序员自己申请,并指明大小,在c中malloc函数 
  如p1 = (char *)malloc(10); 
  在C++中用new运算符 
  如p2 = new char[20];//(char *)malloc(10); 
  但是注意p1、p2本身是在栈中的。 
  2.申请后系统的响应 
  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。 
  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,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delete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。 
  3.申请大小的限制 
  栈:在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在 WINDOWS下,栈的大小是2M(也有的说是1M,总之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。 
  堆: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。 
  4.申请效率的比较
  栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。 
  堆是由new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. 
  另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈,而是直接在进程的地址空间中保留一快内存,虽然用起来最不方便。但是速度快,也最灵活 
  5.堆和栈中的存储内容 
  栈: 在函数调用时,第一个进栈的是主函数中函数调用后的下一条指令(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。 
  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。 
  6.存取效率的比较 
  
  char s1[] = "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)快。 
  比如: 
  #include 
  void main() 
  { 
  char a = 1; 
  char c[] = "1234567890"; 
  char *p ="1234567890"; 
  a = c[1]; 
  a = p[1]; 
  return; 
  } 
  对应的汇编代码 
  10: a = c[1]; 
  00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh] 
  0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl 
  11: a = p[1]; 
  0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h] 
  00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1] 
  00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al 
  第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,而第二种则要先把指针值读到edx中,在根据edx读取字符,显然慢了。 
  7.小结: 
  堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出: 
  使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。 
  使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。
编辑本段堆和栈的区别主要分:
  操作系统方面的堆和栈,如上面说的那些,不多说了。 
  还有就是数据结构方面的堆和栈,这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是(满足堆性质的)优先队列的一种数据结构,第1个元素有最高的优先权;栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。 
  虽然堆栈,堆栈的说法是连起来叫,但是他们还是有很大区别的,连着叫只是由于历史的原因。
<think>嗯,我现在需要解释iOS崩溃采集的原理。首先,我得回忆一下自己知道的关于iOS崩溃处理的知识。记得iOS应用如果崩溃了,系统会有一些机制来捕捉这些崩溃信息,然后开发者可以收集这些信息来调和修复问题。那具体是怎么工作的呢? 首先,可能涉及到的是信号处理机制。当应用发生崩溃时,比如访问了野指针或者数组越界,系统会发送特定的信号,比如SIGABRT、SIGSEGV等。应用可以注册信号处理函数来捕获这些信号,然后在处理函数中收集堆栈信息等数据。这部分好像是通过signal或者sigaction函数来设置的。 然后,还有可能用到的就是NSSetUncaughtExceptionHandler方法。这个方法可以用来捕获未处理的Objective-C异常,比如NSException。当有异常没有被catch的时候,这个handler就会被调用,里面可以记录异常的信息,比如reason、name、callStackSymbols等。 接下来,收集到的崩溃信息需要保存下来,可能在本地存储,等下次应用启动时上传到服务器。不过iOS应用在崩溃后可能无法立即上传,所以通常的做法是将崩溃日志写入到文件,然后在下次启动时检测并发送。 另外,系统本身也会记录崩溃日志,存放在设备的特定目录下,比如Settings → Privacy → Analytics & Improvements → Analytics Data里可以看到一些日志。不过这些日志可能需要用户授权才能获取,或者需要经过符号化解析才能有用。 还有,崩溃信息的捕获可能涉及到Mach异常和Unix信号的关系。iOS底层是基于Mach的,Mach异常会被转换成相应的Unix信号。所以有时候需要同时处理这两者,或者通过Mach的API来捕获更底层的异常信息。 另外,堆栈信息的获取是关键部分。在捕获到崩溃信号或异常后,需要获取当前的调用堆栈。对于Objective-C,可以使用NSThread的callStackSymbols方法。而对于C++或者纯C的代码,可能需要使用backtrace和backtrace_symbols函数来获取堆栈地址,然后通过符号化工具将其转换为可读的函数名和行号。 不过符号化可能需要应用的dSYM文件,这是编译时生成的调符号文件,用来将内存地址映射到源代码的位置。所以在实际处理崩溃日志时,需要将收集到的堆栈地址与dSYM文件结合使用,才能得到有意义的堆栈跟踪。 还有需要注意的地方是,多个崩溃处理可能会冲突。比如如果应用中有多个地方注册了异常处理函数或者信号处理函数,那么后面的可能会覆盖前面的。所以需要确保在设置自己的处理函数时,先保存原来的处理函数,然后在自己的处理完成后,再调用原来的处理函数,避免影响其他框架(比如第三方SDK)的崩溃处理逻辑。 另外,Swift的崩溃处理可能有所不同,因为Swift的错误处理机制和Objective-C的异常不同。不过Swift代码如果调用了Objective-C的代码或者产生了一些底层错误,可能还是会触发信号或者异常。所以对于纯Swift的崩溃,可能需要更多的测和不同的处理方式。 还有,崩溃日志的收集需要考虑用户隐私问题。需要确保收集的信息不包含用户的敏感数据,并且符合App Store的审核指南。可能需要对日志进行脱敏处理,或者在收集前获得用户的同意。 总结一下,iOS崩溃采集的大致步骤应该是: 1. 注册未捕获的异常处理函数(NSSetUncaughtExceptionHandler)来捕获Objective-C异常。 2. 注册信号处理函数,处理常见的崩溃信号(如SIGSEGV, SIGABRT等)。 3. 在异常/信号处理函数中收集堆栈信息、线程信息、设备信息等。 4. 将收集到的信息写入本地文件,等待下次应用启动时上传。 5. 上传到服务器后,结合dSYM文件进行符号化解析,定位问题代码。 可能还需要考虑多线程环境下的安全性,比如在信号处理函数中只能使用异步安全的函数,避免死锁等问题。此外,如何高效地记录和传输崩溃日志,避免影响应用性能也是需要考虑的方面。 有没有其他可能遗漏的点呢?比如,CrashReporter框架或者第三方库如PLCrashReporter、KSCrash的工作原理?这些第三方库可能更全面,处理了更多的边缘情况,比如处理Mach异常、生成更详细的报告等。可能他们的实现会更复杂一些,但基本原理应该是类似的。 另外,iOS系统本身提供的崩溃日志收集机制,比如通过Xcode的Organizer可以获取用户共享的崩溃日志,但开发者可能无法完全依赖这个,因为需要用户主动上传,所以自己实现崩溃采集还是有必要的。 最后,还需要考虑如何测崩溃采集的有效性,比如主动触发各种类型的崩溃(如数组越界、野指针访问、Objective-C异常等),然后验证是否能正确捕获并记录日志。</think>iOS崩溃采集的核心原理是通过**信号处理**和**异常捕获**机制获取崩溃信息,结合堆栈解析生成可读报告。以下是分步说明: --- ### **1. 异常类型捕获** #### **1.1 Objective-C异常(NSException)** - **原理**:通过`NSSetUncaughtExceptionHandler`注册全局异常处理器。 - **触发条件**:未捕获的Objective-C异常(如`NSInvalidArgumentException`)。 - **数据采集**: ```objc void CustomExceptionHandler(NSException *exception) { // 记录异常信息:名称、原因、堆栈符号 NSArray *stack = [exception callStackSymbols]; NSString *reason = [exception reason]; // 保存到本地文件 } NSSetUncaughtExceptionHandler(&CustomExceptionHandler); ``` #### **1.2 底层信号(Signal)** - **原理**:Unix信号(如`SIGSEGV`、`SIGABRT`)捕获。 - **触发条件**:内存访问错误、强制终止等。 - **数据采集**: ```objc void SignalHandler(int signal) { // 获取线程堆栈(需符号化) void* callstack[128]; int frames = backtrace(callstack, 128); char **strs = backtrace_symbols(callstack, frames); // 保存到本地文件 } // 注册常见信号 signal(SIGSEGV, SignalHandler); signal(SIGABRT, SignalHandler); ``` --- ### **2. 堆栈信息解析** - **原始堆栈**:获取的堆栈地址是内存地址(如`0x1045a6b2c`),需符号化。 - **符号化工具**: - **atos**:命令行工具,将地址转换为函数名+行号。 - **dSYM文件**:编译时生成,包含调符号。 ```bash atos -o YourApp.dSYM/Contents/Resources/DWARF/YourApp -arch arm64 0x1045a6b2c ``` --- ### **3. 数据存储与上传** - **本地缓存**:崩溃日志写入沙盒(如`Library/Caches/CrashReports`)。 - **延迟上报**:下次启动时检测并上传(崩溃后进程无法立即通信)。 --- ### **4. 第三方库优化** - **PLCrashReporter/KSCrash**: - 同时捕获**Mach异常**(iOS底层异常)和Unix信号。 - 支持生成更详细的报告(线程状态、寄存器值、二进制映像列表)。 --- ### **5. 系统级日志** - **路径**:`Settings → Privacy → Analytics → Analytics Data`(需用户授权共享)。 - **限制**:需设备连接Xcode或用户主动上传,覆盖率低。 --- ### **关键问题与注意事项** 1. **信号安全函数**:信号处理函数中必须使用异步安全函数(如`write`代替`NSLog`)。 2. **避免覆盖**:先保存系统原有处理函数,执行完自定义逻辑后调用原函数。 3. **Swift崩溃**:纯Swift错误需通过`@convention(c)`桥接或结合Objective-C层捕获。 4. **符号化**:需匹配正确的dSYM文件(UUID一致)。 --- 通过以上步骤,开发者可高效采集崩溃信息并定位问题。实际开发中推荐使用成熟库(如PLCrashReporter)以覆盖更多边界情况。
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