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嵌入式里堆棧原理是怎么樣的如何進(jìn)行純C實(shí)現(xiàn)

Wildesbeast ? 來(lái)源:與非網(wǎng) ? 作者:與非網(wǎng) ? 2020-02-06 16:23 ? 次閱讀

棧這種結(jié)構(gòu)在嵌入式里其實(shí)是非常常用的,比如函數(shù)調(diào)用與返回就是典型的棧應(yīng)用,雖然很多時(shí)候棧都是CPU系統(tǒng)在自動(dòng)管理,我們只需要在鏈接文件里分配棧大小以及棧存放位置,但稍微了解一下棧的原理會(huì)更加利于我們?nèi)ダ斫馇度胧酱a執(zhí)行機(jī)制,以及幫助我們進(jìn)一步去調(diào)試。

1. 何為堆棧?

堆 HEAP與棧 STACK 是兩個(gè)不同概念,其本質(zhì)上都是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

棧是一種按數(shù)據(jù)項(xiàng)排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),只能在一端(棧頂 top)對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行插入和刪除,其符合后進(jìn)先出(Last-In / First-Out)原則。棧(os)一般是由編譯器自動(dòng)分配釋放,其使用的是一級(jí)緩存。

堆也是一種分配方式類似于鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其可以在任意位置對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行操作。堆(os)一般由程序員手動(dòng)分配釋放,其使用的是二級(jí)緩存。

在嵌入式世界里,堆棧一般指的僅是棧。

2. 作用與意義

MCU 中,棧這種結(jié)構(gòu)一般被 cpu 和 os 所使用。

在 cpu 裸機(jī)中使用情況分兩種:一、主動(dòng)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用時(shí),STACK 用以暫存下一條指令地址、函數(shù)參數(shù)、函數(shù)中定義的局部變量;二、硬中斷來(lái)臨時(shí),暫存當(dāng)前執(zhí)行的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(下一條指令地址、各種緩存數(shù)據(jù)),中斷結(jié)束后,用以恢復(fù)。

在 os 中使用時(shí),硬棧的使用同 cpu 裸機(jī);但 os 一般會(huì)為每個(gè)任務(wù)額外分配一個(gè)軟棧,在任務(wù)調(diào)度時(shí),可用軟中斷打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù),棧則用以保存各自任務(wù)以恢復(fù)。

3. 軟硬之分

硬件堆棧:是通過(guò)寄存器 SP 作為索引指針的地址,是調(diào)用了 BL 等函數(shù)調(diào)用指令后硬件自動(dòng)填充的堆棧。

軟件堆棧:是編譯器為了處理一些參數(shù)傳遞而做的堆棧,會(huì)由編譯器自動(dòng)產(chǎn)生和處理,可以通過(guò)相應(yīng)的編譯選項(xiàng)對(duì)其進(jìn)行編輯。

簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō),硬件堆棧主要做為地址堆棧用,而軟件堆棧主要會(huì)被分配成數(shù)據(jù)堆棧。或看其棧頂指針是否和 CPU 具有特殊的關(guān)聯(lián),有關(guān)聯(lián)者(如 SP)“硬”,而無(wú)關(guān)聯(lián)者“軟”。

4. 棧的純 C 實(shí)現(xiàn)

基本的抽象數(shù)據(jù)類型(ADT)是編寫 C 程序必要的過(guò)程,這類 ADT 有鏈表、堆棧、隊(duì)列和樹等,本節(jié)主要講解下堆棧的幾種實(shí)現(xiàn)方法以及他們的優(yōu)缺點(diǎn)。

堆棧(stack)的顯著特點(diǎn)是后進(jìn)先出(Last-In First-Out, LIFO),其實(shí)現(xiàn)的方法有三種可選方案:靜態(tài)數(shù)組、動(dòng)態(tài)分配的數(shù)組、動(dòng)態(tài)分配的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。

靜態(tài)數(shù)組:特點(diǎn)是要求結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度固定,而且長(zhǎng)度在編譯時(shí)候就得確定。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便而不容易出錯(cuò)。而缺點(diǎn)就是不夠靈活以及固定長(zhǎng)度不容易控制,適用于知道明確長(zhǎng)度的場(chǎng)合。

動(dòng)態(tài)數(shù)組:特點(diǎn)是長(zhǎng)度可以在運(yùn)行時(shí)候才確定以及可以更改原來(lái)數(shù)組的長(zhǎng)度。優(yōu)點(diǎn)是靈活,缺點(diǎn)是由此會(huì)增加程序的復(fù)雜性。

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu):特點(diǎn)是無(wú)長(zhǎng)度上線,需要的時(shí)候再申請(qǐng)分配內(nèi)存空間,可最大程度上實(shí)現(xiàn)靈活性。缺點(diǎn)是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的鏈接字段需要消耗一定的內(nèi)存,在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中訪問(wèn)一個(gè)特定元素的效率不如數(shù)組。

首先先確定一個(gè)堆棧接口的頭文件,里面包含了各個(gè)方案下的函數(shù)原型,放在一起是為了實(shí)現(xiàn)程序的模塊化以及便于修改。然后再接著分別介紹各個(gè)方案的具體實(shí)施方法。

堆棧接口 stack.h 文件代碼:

4.1 靜態(tài)數(shù)組

在靜態(tài)數(shù)組堆棧中,STACK_SIZE 表示堆棧所能存儲(chǔ)的元素的最大值,用 top_element 作為數(shù)組下標(biāo)來(lái)表示堆棧里面的元素,當(dāng) top_element == -1 的時(shí)候表示堆棧為空;當(dāng) top_element == STACK_SIZE - 1 的時(shí)候表示堆棧為滿。push 的時(shí)候 top_element 加 1,top_element == 0 時(shí)表示第一個(gè)堆棧元素;pop 的時(shí)候 top_element 減 1。

a_stack.c 源代碼如下:

4.2 動(dòng)態(tài)數(shù)組

頭文件還是用 stack.h,改動(dòng)的并不是很多,增加了 stack_size 變量取代 STACK_SIZE 來(lái)保存堆棧的長(zhǎng)度,數(shù)組由一個(gè)指針來(lái)代替,在全局變量下缺省為 0。

create_stack 函數(shù)首先檢查堆棧是否已經(jīng)創(chuàng)建,然后才分配所需數(shù)量的內(nèi)存并檢查分配是否成功。destroy_stack 函數(shù)首先檢查堆棧是否存在,已經(jīng)釋放內(nèi)存之后把長(zhǎng)度和指針變量重新設(shè)置為零。is_empty 和 is_full 函數(shù)中添加了一條斷言,防止任何堆棧函數(shù)在堆棧被創(chuàng)建之前就被調(diào)用。

d_stack.c 源代碼如下:

4.3 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

由于只有堆棧頂部元素才可以被訪問(wèn),因此適用單鏈表可以很好實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)蕉褩#覠o(wú)長(zhǎng)度限制。把一個(gè)元素壓入堆棧是通過(guò)在鏈表頭部添加一個(gè)元素實(shí)現(xiàn)。彈出一個(gè)元素是通過(guò)刪除鏈表頭部第一個(gè)元素實(shí)現(xiàn)。由于沒有長(zhǎng)度限制,故不需要 create_stack 函數(shù),需要 destroy_stack 進(jìn)行釋放內(nèi)存以避免內(nèi)存泄漏。

l_stack.c 源代碼如下:

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