内存的分区及存放位置

一、内存分区介绍

程序中内存有以下分区：

  • 栈区（stack）

    • 临时创建的局部变量存放在栈区。

    • 函数调用时，其入口参数存放在栈区。

    • 函数返回时，其返回值存放在栈区。

    • const定义的局部变量存放在栈区。

  • 堆区（heap）
    堆区用于存放程序运行中被动态分布的内存段，可增可减。

    可以有malloc等函数实现动态分布内存。

    有malloc函数分布的内存，必须用free进行内存释放，否则会造成内存泄漏。

  • 全局区（静态区）（static）
    内存在程序编译的时候就已经分配好了，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（局部static变量，全局static变量）、全局变量。当程序结束后，变量由系统释放 。

  • 常量区
    存放数字 和 常量字符串。当程序结束后，由系统释放 。

    常量区的内容不可以被修改。

  • 代码区
    存放函数体的二进制代码。

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//main.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
#include <string.h>

int a = 0;  //全局初始化区 
char *p1;  //全局未初始化区 

int main(void)
{ 
    int b;  //栈 
    char s[] = "abc";  //"abc"在常量区，s在栈上。 
    char *p2;  //栈 
    char *p3 = (char*)"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); //分配得来的 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。 

    delete p1, p2;
    return 0;
}

二、各分区特点

1.全局静态变量

定义：在全局变量之前加上关键字static，全局变量就被定义为一个全局静态变量。

说明：1.内存中的位置：静态存储区（静态存储区在整个程序运行期间都存在）

2.初始化：未经初始化的全局静态变量会被程序自动初始化为0（自动对象的值是任意的，除非它被显示初始化）

3.作用域：全局静态变量在声明它的文件之外是不可见。准确的讲从定义之处开始到文件结尾。

注意：

1.不会被其他文件所访问，修改。

2.其它文件中可以使用相同名字的变量，不会发生冲突。

3.虽然改变了全局变量的作用域，但存储位置仍是静态存储区

2.局部静态变量

定义：在局部变量之前加上关键字static，局部变量就被定义为一个局部静态变量。

说明：1.内存中的位置：静态存储区

2.初始化：未经初始化的局部静态变量会被程序自动初始化为0（自动对象的值是任意的，除非它被显示初始化）

3.作用域：作用域仍为局部作用域，当定义它的函数或者语句块结束的时候，作用域随之结束。

注意：当static用来修饰局部变量的时候，它就改变了局部变量的存储位置，从原来的栈中存放改为静态存储区。但是局部静态变量在离开作用域之后，并没有被销毁，而是仍然驻留在内存当中，直到程序结束，只不过我们不能再对它进行访问。

3.堆与栈的区别

1.管理方式不同：对于栈来讲，是由编译器自动管理的，无需手动控制；对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

2.空间大小不同：一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定的空间大小。在VC6下面，默认的栈空间是1M。

3.产生碎片不同：对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而造成大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不会存在这个问题，因为栈是先进后出的队列，它们是如此的一一对应，以至于永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出。在它弹出之前，在它上面的后进栈的内容已经被弹出。

4.生长方向不同：对于堆来讲，生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长。

5.分配方式不同：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有两种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配是由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，它的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

6.分配效率不同：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。

三、STM32中的内存存放

  • 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、静态变量、全局变量都是存放在RAM中。

四、Keil 的Build Output窗口

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

注意：上面讲的内存分区(代码段、bss段…)虽然讲的是内存分区，但实际上有些段，比如代码段在STM32这种嵌入式设备中是不会被放到RAM中而是放到ROM中，这是因为嵌入式的RAM实在太小了…但是在非嵌入式平台，以上的内存分区的各段全是放在RAM中的。

五、STM32的堆栈

1.启动文件里堆栈大小都是以words为单位的(1words = 4 bytes)

2 裸机时Keil编译器工程项目的启动文件中定义的栈为：系统栈+用户栈（2个合二为一，作为一个整体）。系统栈+用户栈：单片机系统（中断函数和中断嵌套）使用这个栈区进行入栈和出栈操作；用户程序（函数调用的形参、非静态局部变量以及函数调用信息）也使用这个栈区进行入栈和出栈操作。

3  在FreeRTOS下，stm32的栈被分为：系统栈和任务栈.

  • 系统栈:只有单片机系统（中断函数和中断嵌套使用系统栈）在使用这个栈区（系统栈）进行入栈和出栈操作，这个栈不包含用户栈。c此时在启动文件里的那个stack只是系统栈。

  • 而任务栈则是 由FreeRTOSConfig.h文件中的宏定义configTOTAL_HEAP_SIZE确定。任务栈本身就是一个全局数组，(FreeRTOS里的HEAP指的是栈，而并不是堆。。。)

  • 工程项目中创建的每一个任务的栈区（包括：每个任务的函数调用的形参、非静态局部变量以及函数调用信息）都是从 FreeRTOS内核的heap_4.c中定义HEAP区中进行申请和分配。

  • 这个HEAP（用户栈区）来自于静态数组，所以它存在于数据段（具体为.bss段）， 它和Keil编译器工程项目的启动文件中定义的堆不是一个概念。

  • FreeRTOS编程时，使用C语言的库函数malloc函数动态请求分配堆区，对于微控制器并不是线程安全的。使用库函数free函数释放空间，对于微控制器并不是线程安全的。为了线程安全，在使用FreeRTOS编程时，进行动态内存申请（Keil编译器工程项目的启动文件中配置的堆区）时，请使用FreeRTOS提供的pvPortMalloc和vPortFree函数。(还是从系统的堆区里申请，并不是FreeRTOS的HEAP)

参考地址：

STM32F103移植FreeRTOS必须搞明白的系列知识—3（堆栈）_ba_wang_mao的博客-CSDN博客