常用知識：嵌入式里堆棧原理及其純C實現

發(fā)布時間：2020-4-13 17:24 發(fā)布者：嵌入式人生17

常用知識：嵌入式里堆棧原理及其純C實現

　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家講的是嵌入式里堆棧原理及其純C實現。

　　今天給大家分享的這篇還是2016年之前痞子衡寫的技術文檔，花了點時間重新編排了一下格式。棧這種結構在嵌入式里其實是非常常用的，比如函數調用與返回就是典型的棧應用，雖然很多時候棧都是CPU系統在自動管理，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更加利于我們去理解嵌入式代碼執(zhí)行機制，以及幫助我們進一步去調試。

1.何為堆棧？

　　堆HEAP與棧STACK是兩個不同概念，其本質上都是一種數據結構。
　　棧是一種按數據項排列的數據結構，只能在一端（棧頂top）對數據項進行插入和刪除，其符合后進先出（Last-In / First-Out）原則。棧（os）一般是由編譯器自動分配釋放，其使用的是一級緩存。
　　堆也是一種分配方式類似于鏈表的數據結構，其可以在任意位置對數據項進行操作。堆（os）一般由程序員手動分配釋放，其使用的是二級緩存。
　　在嵌入式世界里，堆棧一般指的僅是棧。

2.作用與意義

　　在MCU中，棧這種結構一般被cpu和os所使用。
　　在cpu裸機中使用情況分兩種：一、主動進行函數調用時，STACK用以暫存下一條指令地址、函數參數、函數中定義的局部變量；二、硬中斷來臨時，暫存當前執(zhí)行的現場數據（下一條指令地址、各種緩存數據），中斷結束后，用以恢復。
　　在os中使用時，硬棧的使用同cpu裸機；但os一般會為每個任務額外分配一個軟棧，在任務調度時，可用軟中斷打斷當前正在執(zhí)行的任務，棧則用以保存各自任務以恢復。

3.軟硬之分

　　硬件堆棧：是通過寄存器SP作為索引指針的地址，是調用了BL等函數調用指令后硬件自動填充的堆棧。
　　軟件堆棧：是編譯器為了處理一些參數傳遞而做的堆棧，會由編譯器自動產生和處理，可以通過相應的編譯選項對其進行編輯。
　　簡單一點說，硬件堆棧主要做為地址堆棧用，而軟件堆棧主要會被分配成數據堆棧。或看其棧頂指針是否和CPU具有特殊的關聯，有關聯者（如SP）“硬”，而無關聯者“軟”。

4.棧的純C實現

　　基本的抽象數據類型（ADT）是編寫C程序必要的過程，這類ADT有鏈表、堆棧、隊列和樹等，本節(jié)主要講解下堆棧的幾種實現方法以及他們的優(yōu)缺點。
　　堆棧（stack）的顯著特點是后進先出（Last-In First-Out, LIFO），其實現的方法有三種可選方案：靜態(tài)數組、動態(tài)分配的數組、動態(tài)分配的鏈式結構。

靜態(tài)數組：特點是要求結構的長度固定，而且長度在編譯時候就得確定。其優(yōu)點是結構簡單，實現起來方便而不容易出錯。而缺點就是不夠靈活以及固定長度不容易控制，適用于知道明確長度的場合。
動態(tài)數組：特點是長度可以在運行時候才確定以及可以更改原來數組的長度。優(yōu)點是靈活，缺點是由此會增加程序的復雜性。
鏈式結構：特點是無長度上線，需要的時候再申請分配內存空間，可最大程度上實現靈活性。缺點是鏈式結構的鏈接字段需要消耗一定的內存，在鏈式結構中訪問一個特定元素的效率不如數組。

　　首先先確定一個堆棧接口的頭文件，里面包含了各個方案下的函數原型，放在一起是為了實現程序的模塊化以及便于修改。然后再接著分別介紹各個方案的具體實施方法。
　　堆棧接口stack.h文件代碼：

1./*
2.** 堆棧模塊的接口 stack.h
3.*/
4.#include
5.
6.#define STACK_TYPE int /* 堆棧所存儲的值的數據類型 */
7.
8./*
9.** 函數原型：create_stack
10.** 創(chuàng)建堆棧，參數指定堆棧可以保存多少個元素。
11.** 注意：此函數只適用于動態(tài)分配數組形式的堆棧。
12.*/
13.void create_stack(size_t size);
14.
15./*
16.** 函數原型：destroy_stack
17.** 銷毀一個堆棧，釋放堆棧所適用的內存。
18.** 注意：此函數只適用于動態(tài)分配數組和鏈式結構的堆棧。
19.*/
20.void destroy_stack(void);
21.
22./*
23.** 函數原型：push
24.** 將一個新值壓入堆棧中，參數是被壓入的值。
25.*/
26.void push(STACK_TYPE value);
27.
28./*
29.** 函數原型：pop
30.** 彈出堆棧中棧頂的一個值，并丟棄。
31.*/
32.void pop(void);
33.
34./*
35.** 函數原型：top
36.** 返回堆棧頂部元素的值，但不改變堆棧結構。
37.*/
38.STACK_TYPE top(void);
39.
40./*
41.** 函數原型：is_empty
42.** 如果堆棧為空，返回TRUE,否則返回FALSE。
43.*/
44.int is_empty(void);
45.
46./*
47.** 函數原型：is_full
48.** 如果堆棧為滿，返回TRUE,否則返回FALSE。
49.*/
50.int is_full(void);

4.1 靜態(tài)數組

　　在靜態(tài)數組堆棧中，STACK_SIZE表示堆棧所能存儲的元素的最大值，用top_element作為數組下標來表示堆棧里面的元素，當top_element == -1的時候表示堆棧為空；當top_element == STACK_SIZE - 1的時候表示堆棧為滿。push的時候top_element加1，top_element == 0時表示第一個堆棧元素；pop的時候top_element減1。
　　a_stack.c 源代碼如下：

1./*
2.**
3.** 靜態(tài)數組實現堆棧程序 a_stack.c ，數組長度由#define確定
4.*/
5.
6.#include"stack.h"
7.#include
8.#include
9.
10.#define STACK_SIZE 100 /* 堆棧最大容納元素數量 */
11.
12./*
13.** 存儲堆棧中的數組和一個指向堆棧頂部元素的指針
14.*/
15.static STACK_TYPE stack[STACK_SIZE];
16.static int top_element = -1;
17.
18./* push */
19.void push(STACK_TYPE value)
20.{
21. assert(!is_full()); /* 壓入堆棧之前先判斷是否堆棧已滿*/
22. top_element += 1;
23. stack[top_element] = value;
24.}
25.
26./* pop */
27.void pop(void)
28.{
29. assert(!is_empty()); /* 彈出堆棧之前先判斷是否堆棧已空 */
30. top_element -= 1;
31.}
32.
33./* top */
34.STACK_TYPE top(void)
35.{
36. assert(!is_empty());
37. return stack[top_element];
38.}
39.
40./* is_empty */
41.int is_empty(void)
42.{
43. return top_element == -1;
44.}
45.
46./* is_full */
47.int is_full(void)
48.{
49. return top_element == STACK_SIZE - 1;
50.}

4.2 動態(tài)數組

　　頭文件還是用stack.h，改動的并不是很多，增加了stack_size變量取代STACK_SIZE來保存堆棧的長度，數組由一個指針來代替，在全局變量下缺省為0。
　　create_stack函數首先檢查堆棧是否已經創(chuàng)建，然后才分配所需數量的內存并檢查分配是否成功。destroy_stack函數首先檢查堆棧是否存在，已經釋放內存之后把長度和指針變量重新設置為零。is_empty 和 is_full 函數中添加了一條斷言，防止任何堆棧函數在堆棧被創(chuàng)建之前就被調用。
　　d_stack.c源代碼如下：

1./*
2.** 動態(tài)分配數組實現的堆棧程序 d_stack.c
3.** 堆棧的長度在創(chuàng)建堆棧的函數被調用時候給出，該函數必須在任何其他操作堆棧的函數被調用之前條用。
4.*/
5.#include"stack.h"
6.#include
7.#include
8.#include
9.
10./*
11.** 用于存儲堆棧元素的數組和指向堆棧頂部元素的指針
12.*/
13.static STACK_TYPE *stack;
14.static int       stack_size;
15.static int       top_element = -1;
16.
17./* create_stack */
18.void create_stack(size_t size)
19.{
20. assert(stack_size == 0);
21. stack_size = size;
22. stack = (STACK_TYPE *)malloc(stack_size * sizeof(STACK_TYPE));
23. if(stack == NULL)
24.       perror("malloc分配失敗");
25.}
26.
27./* destroy */
28.void destroy_stack(void)
29.{
30. assert(stack_size > 0);
31. stack_size = 0;
32. free(stack);
33. stack = NULL;
34.}
35.
36./* push */
37.void push(STACK_TYPE value)
38.{
39. assert(!is_full());
40. top_element += 1;
41. stack[top_element] = value;
42.}
43.
44./* pop */
45.void pop(void)
46.{
47. assert(!is_empty());
48. top_element -= 1;
49.}
50.
51./* top */
52.STACK_TYPE top(void)
53.{
54. assert(!is_empty());
55. return stack[top_element];
56.}
57.
58./* is_empty */
59.int is_empty(void)
60.{
61. assert(stack_size > 0);
62. return top_element == -1;
63.}
64.
65./* is_full */
66.int is_full(void)
67.{
68. assert(stack_size > 0);
69. return top_element == stack_size - 1;
70.}

4.3 鏈式結構

　　由于只有堆棧頂部元素才可以被訪問，因此適用單鏈表可以很好實現鏈式堆棧，而且無長度限制。把一個元素壓入堆棧是通過在鏈表頭部添加一個元素實現。彈出一個元素是通過刪除鏈表頭部第一個元素實現。由于沒有長度限制，故不需要create_stack函數，需要destroy_stack進行釋放內存以避免內存泄漏。
　　l_stack.c 源代碼如下：

1./*
2.** 單鏈表實現堆棧，沒有長度限制
3.*/
4.#include"stack.h"
5.#include
6.#include
7.#include
8.
9.#define FALSE 0
10.
11./*
12.** 定義一個結構以存儲堆棧元素。
13.*/
14.typedef struct STACK_NODE
15.{
16. STACK_TYPE value;
17. struct STACK_NODE *next;
18.} StackNode;
19.
20./* 指向堆棧中第一個節(jié)點的指針 */
21.static StackNode *stack;
22.
23./* create_stack */
24.void create_stack(size_t size)
25.{}
26.
27./* destroy_stack */
28.void destroy_stack(void)
29.{
30. while(!is_empty())
31.       pop();  /* 逐個彈出元素，逐個釋放節(jié)點內存 */
32.}
33.
34./* push */
35.void push(STACK_TYPE value)
36.{
37. StackNode *new_node;
38. new_node = (StackNode *)malloc(sizeof(StackNode));
39. if(new_node == NULL)
40.       perror("malloc fail");
41. new_node->value = value;
42. new_node->next = stack;  /* 新元素插入鏈表頭部 */
43. stack = new_node;    /* stack 重新指向鏈表頭部 */
44.}
45.
46./* pop */
47.void pop(void)
48.{
49. StackNode *first_node;
50.
51. assert(!is_empty());
52. first_node = stack;
53. stack = first_node->next;
54. free(first_node);
55.}
56.
57./* top */
58.STACK_TYPE top(void)
59.{
60. assert(!is_empty());
61. return stack->value;
62.}
63.
64./* is_empty */
65.int is_empty(void)
66.{
67. return stack == NULL;
68.}
69.
70./* is_full */
71.int is_full(void)
72.{
73. return FALSE;
74.}

　　至此，嵌入式里堆棧原理及其純C實現痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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