Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的地址分配

最新推荐文章于 2023-10-05 20:50:34 发布

可乐飞冰5399

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分类专栏：嵌入式文章标签： ubuntu stm32 c语言

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一、C程序的内存分配

1、全局变量与局部变量

（1）全局变量
在所有函数外部定义的变量称为全局变量（Global Variable），它的作用域默认是整个程序，也就是所有的源文件。

（2）局部变量
定义在函数内部的变量称为局部变量（Local Variable），它的作用域仅限于函数内部，离开该函数的内部就是无效的，再使用就会报错。

对比
在这里插入图片描述

2、堆与栈

单片机是一种集成电路芯片，集成CPU、RAM、ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能。CPU中包括了各种总线电路，计算电路，逻辑电路，还有各种寄存器。stm32 有通用寄存器 R0‐ R15 以及一些特殊功能寄存器，其中包括了堆栈指针寄存器。当stm32正常运行程序的时候，来了一个中断，CPU就需要将寄存器中的值压栈到RAM里，然后将数据所在的地址存放在堆栈寄存器中。等中断处理完成退出时，再将数据出栈到之前的寄存器中，这个在C语言里是自动完成的。

对比

(1)性能
栈：栈存在于RAM中，栈是动态的，它的存储速度是第二快的。
堆：堆位于RAM中，是一个通用的内存池。所有的对象都存储在堆中。

(2)申请方式
栈: 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。
堆: 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 = (char *)malloc(10);但是注意：p1、p2本身是在栈中的。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)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

(7)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。

3、存储区

一个C/C++编译的程序占用内存分为以下几个部分：
栈区（stack）：由编译器自动分配与释放，存放为运行时函数分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作类似于数据结构中的栈。
堆区（heap）：一般由程序员自动分配，如果程序员没有释放，程序结束时可能有OS回收，其分配类似于链表。
全局区（静态区static）：存放全局变量、静态数据、常量。程序结束后由系统释放。全局区分为已初始化全局区（data）和未初始化全局区（bss）。
1）.bss段
未初始化的全局变量存放在.bss段。
初始化为0的全局变量和初始化为0的静态变量存放在.bss段。
.bss段不占用可执行文件空间，其内容有操作系统初始化。
2）.data段
已经初始化的全局变量存放在.data段。
静态变量存放在.data段。
.data段占用可执行文件空间，其内容有程序初始化。
const定义的全局变量存放在.rodata段。
常量区（文字常量区）：存放常量字符串，程序结束后有系统释放。
代码区：存放函数体（类成员函数和全局区）的二进制代码。

存储区图解
在这里插入图片描述

4、内存分配方式

（1）从静态存储区分配

内存在程序编译的时候已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。

（2）在栈上创建

在执行函数时，函数内局部变量的存储单元可以在栈上创建，函数执行结束时，这些内存单元会自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集，效率高，但是分配的内存容量有限。

（3）从堆上分配

亦称为动态内存分配。程序在运行的时候使用malloc或者new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生命周期有程序员决定，使用非常灵活，但如果在堆上分配了空间，既有责任回收它，否则运行的程序会出现内存泄漏，频繁的分配和释放不同大小的堆空间将会产生内存碎片。

二、RAM和ROM、Flash Memory的物理特性

（1）RAM
RAM又称随机存取存储器，存储的内容可通过指令随机读写访问。RAM中的存储的数据在掉电是是会丢失，因而只能在开机运行时存储数据。其中RAM又可以分为两种，一种是Dynamic RAM(DRAM动态随机存储器),另一种是Static RAM(SRAM,静态随机存储器)。

（2）ROM
ROM又称只读存储器，只能从里面读出数据而不能任意写入数据。ROM与RAM相比,具有价格高,容量小的缺点。但由于其具有掉电后数据可保持不变的优点，因此常用也存放一次性写入的程序和数据，比如主版的BIOS程序的芯片就是ROM存储器。

由前面的分析我们知道，代码区和常量区的内容是不允许被修改的，ROM（STM32就是Flash Memory）也是不允许被修改的，所以代码区和常量区的内容编译后存储在ROM中，而栈、堆、全局区（.bss段、.data段）都是存放在RAM中。

三、Keil 的Build Output窗口

在这里插入图片描述

如上图，存在Code、RO-data、RW-data、ZI-data四个代码段大小。其中Code就是代码占用大小，RO-data是只读常量、RW-data是已初始化的可读可写变量，ZI-data是未初始化的可读可写变量。

有些时候，我们需要知道RAM和ROM的使用情况如何，那么我们就可以使用下面的公式计算。

RAM = RW-data + ZI-data

ROM = Code + RO-data + RW-data

这个是 MDK 编译之后能够得到的每个段的大小，也就能得到占用相应的FLASH和RAM的大小，但是还有两个数据段也会占用RAM，但是是在程序运行的时候，才会占用，那就是堆和栈。

在stm32的启动文件.s文件里面，就有堆栈的设置，其实这个堆栈的内存占用就是在上面RAM分配给RW-data+ZI-data之后的地址开始分配的。**堆是编译器调用动态内存分配的内存区域；栈是程序运行的时候局部变量的地方，所以局部变量用数组太大了都有可能造成栈溢出。**堆栈的大小在编译器编译之后是不知道的，只有运行的时候才知道，所以需要注意不要造成堆栈溢出，会出现 hardfault 问题。

三、验证过程

1.Ubuntu中编程验证

test.c代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//定义全局变量
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{
	printf("hello");
	printf("%d",a);
	printf("\n");
}

int main( )
{   
	//定义局部变量
	int a=2;//栈
	static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
    int init_local_d = 1;//栈
    output(a);
    char *p;//栈
    char str[10] = "yaoyao";//栈
    //定义常量字符串
    char *var1 = "1234567890";
    char *var2 = "abcdefghij";
    //动态分配——堆区
    int *p1=malloc(4);
    int *p2=malloc(4);
    //释放
    free(p1);
    free(p2);
    printf("栈区-变量地址\n");
    printf("                a：%p\n", &a);
    printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);
    printf("                p：%p\n", &p);
    printf("              str：%p\n", str);
    printf("\n堆区-动态申请地址\n");
    printf("                   %p\n", p1);
    printf("                   %p\n", p2);
    printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
    printf("\n.bss段\n");
    printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
    printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
    printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
    printf("\n.data段\n");
    printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
    printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
    printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
    printf("\n文字常量区\n");
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);
    printf("\n代码区\n");
    printf("程序区地址       ：%p\n",&main);
    printf("函数地址         ：%p\n",&output);
    return 0;
}

在终端输入gcc test.c -o test->./text即可看到下列输出：
在这里插入图片描述

可以发现，Ubuntu下栈区和堆区的地址值都是从上到下增长的。

2.Keil下验证

点击魔法棒，如下图所示修改IROM1,IROM2。
在这里插入图片描述

默认分配的ROM区域是0x8000000开始，大小是0x80000的一片区域，那么这篇区域是只读区域，不可修改，也就是存放的代码区和常量区。
默认分配的RAM区域是0x20000000开始，大小是0x10000的一片区域，这篇区域是可读写区域，存放的是静态区、栈区和堆区。

点击c/c++，勾选c99 mode。
在这里插入图片描述
点击target，勾选use microlib，使用微库。
main.c代码
由于验证结果使用串口输出，除添加以下main.c，还需添加串口初始化函数。

#include "sys.h"
#include "usart.h"		
#include "delay.h"	
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//定义全局变量
int init_global_a = 1;
int uninit_global_a;
static int inits_global_b = 2;
static int uninits_global_b;
void output(int a)
{
	printf("hello");
	printf("%d",a);
	printf("\n");
}

int main(void)
{				 
	u16 t; u16 len; u16 times=0;
	Stm32_Clock_Init(9);	//??????
	delay_init(72);	  		//?????
	uart_init(72,115200); 	//??????115200
  	while(1)
	{
		//定义局部变量
	int a=2;
	static int inits_local_c=2, uninits_local_c;
    int init_local_d = 1;
    output(a);
    char *p;
    char str[10] = "yaoyao";
    //定义常量字符串
    char *var1 = "1234567890";
    char *var2 = "abcdefghij";
    //动态分配
    int *p1=malloc(4);
    int *p2=malloc(4);
    //释放
    free(p1);
    free(p2);
    printf("栈区-变量地址\n");
    printf("                a：%p\n", &a);
    printf("                init_local_d：%p\n", &init_local_d);
    printf("                p：%p\n", &p);
    printf("              str：%p\n", str);
    printf("\n堆区-动态申请地址\n");
    printf("                   %p\n", p1);
    printf("                   %p\n", p2);
    printf("\n全局区-全局变量和静态变量\n");
    printf("\n.bss段\n");
    printf("全局外部无初值 uninit_global_a：%p\n", &uninit_global_a);
    printf("静态外部无初值 uninits_global_b：%p\n", &uninits_global_b);
    printf("静态内部无初值 uninits_local_c：%p\n", &uninits_local_c);
    printf("\n.data段\n");
    printf("全局外部有初值 init_global_a：%p\n", &init_global_a);
    printf("静态外部有初值 inits_global_b：%p\n", &inits_global_b);
    printf("静态内部有初值 inits_local_c：%p\n", &inits_local_c);
    printf("\n文字常量区\n");
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var1);
    printf("文字常量地址     ：%p\n",var2);
    printf("\n代码区\n");
    printf("程序区地址       ：%p\n",&main);
    printf("函数地址         ：%p\n",&output);
    return 0;
	}	 
}

编译无误后将hex文件烧录进STM32，打开串口调试助手，可以看到以下结果。
在这里插入图片描述

可以发现，stm32下栈区的地址值是从上到下减小的，堆区则是从上到下增长的。

四、总结

一般而言，程序内变量在堆栈上的分配，栈是由高地址到低地址，堆是由低地址到高地址。

在Ubuntu下，栈区的地址存储是向上增长，堆区的地址存储也是向上增长；
在STM32下，栈区的地址存储是向下增长，堆区的地址存储却是向上增长。

可是在Ubuntu下，栈区的地址值也是增长的，有下面两种解释：

（1）栈向低地址扩展(即”向下生长”)，是连续的内存区域；堆向高地址扩展(即”向上生长”)，是不连续的内存区域。这是由于系统用链表来存储空闲内存地址，自然不连续，而链表从低地址向高地址遍历。

（2）进程地址空间的分布取决于操作系统，栈向什么方向增长取决于操作系统与CPU的组合。这里说的“栈”是函数调用栈，是以“栈帧”为单位的。每一次函数调用会在栈上分配一个新的栈帧，在这次函数调用结束时释放其空间。被调用函数的栈帧相对调用函数的栈帧的位置反映了栈的增长方向：如果被调用函数的栈帧比调用函数的在更低的地址，那么栈就是向下增长；反之则是向上增长。在一个栈帧内，局部变量是如何分布到栈帧里的，这完全是编译器的自由。在简化的32位Linux/x86进程地址空间模型里，主线程的栈空间确实比堆空间的地址要高——它已经占据了用户态地址空间的最高可分配的区域，并且向下（向低地址）增长。