栈这种结构在嵌入式里其实是非常常用的,比如函数调用与返回就是典型的栈应用,虽然很多时候栈都是 CPU 系统在自动管理,我们只需要在链接文件里分配栈大小以及栈存放位置,但稍微了解一下栈的原理会更加利于我们去理解嵌入式代码执行机制,以及帮助我们进一步去调试。

 

1. 何为堆栈?

HEAP 与栈 STACK 是两个不同概念,其本质上都是一种数据结构。
  

栈是一种按数据项排列的数据结构,只能在一端(栈顶 top)对数据项进行插入和删除,其符合后进先出(Last-In / First-Out)原则。栈(os)一般是由编译器自动分配释放,其使用的是一级缓存。
  

堆也是一种分配方式类似于链表的数据结构,其可以在任意位置对数据项进行操作。堆(os)一般由程序员手动分配释放,其使用的是二级缓存。
  

在嵌入式世界里,堆栈一般指的仅是栈。

 

2. 作用与意义

在 MCU 中,栈这种结构一般被 cpu 和 os 所使用。
  

在 cpu 裸机中使用情况分两种:一、主动进行函数调用时,STACK 用以暂存下一条指令地址、函数参数、函数中定义的局部变量;二、硬中断来临时,暂存当前执行的现场数据(下一条指令地址、各种缓存数据),中断结束后,用以恢复。
  

在 os 中使用时,硬栈的使用同 cpu 裸机;但 os 一般会为每个任务额外分配一个软栈,在任务调度时,可用软中断打断当前正在执行的任务,栈则用以保存各自任务以恢复。

 

3. 软硬之分

硬件堆栈:是通过寄存器 SP 作为索引指针的地址,是调用了 BL 等函数调用指令后硬件自动填充的堆栈。
  

软件堆栈:是编译器为了处理一些参数传递而做的堆栈,会由编译器自动产生和处理,可以通过相应的编译选项对其进行编辑。
  

简单一点说,硬件堆栈主要做为地址堆栈用,而软件堆栈主要会被分配成数据堆栈。或看其栈顶指针是否和 CPU 具有特殊的关联,有关联者(如 SP)“硬”,而无关联者“软”。

 

4. 栈的纯 C 实现

基本的抽象数据类型(ADT)是编写 C 程序必要的过程,这类 ADT 有链表、堆栈、队列和树等,本节主要讲解下堆栈的几种实现方法以及他们的优缺点。
  

堆栈(stack)的显著特点是后进先出(Last-In First-Out, LIFO),其实现的方法有三种可选方案:静态数组、动态分配的数组、动态分配的链式结构。

 

静态数组:特点是要求结构的长度固定,而且长度在编译时候就得确定。其优点是结构简单,实现起来方便而不容易出错。而缺点就是不够灵活以及固定长度不容易控制,适用于知道明确长度的场合。


动态数组:特点是长度可以在运行时候才确定以及可以更改原来数组的长度。优点是灵活,缺点是由此会增加程序的复杂性。


链式结构:特点是无长度上线,需要的时候再申请分配内存空间,可最大程度上实现灵活性。缺点是链式结构的链接字段需要消耗一定的内存,在链式结构中访问一个特定元素的效率不如数组。

 

首先先确定一个堆栈接口的头文件,里面包含了各个方案下的函数原型,放在一起是为了实现程序的模块化以及便于修改。然后再接着分别介绍各个方案的具体实施方法。
  

堆栈接口 stack.h 文件代码:

 

 

 

4.1 静态数组

在静态数组堆栈中,STACK_SIZE 表示堆栈所能存储的元素的最大值,用 top_element 作为数组下标来表示堆栈里面的元素,当 top_element == -1 的时候表示堆栈为空;当 top_element == STACK_SIZE - 1 的时候表示堆栈为满。push 的时候 top_element 加 1,top_element == 0 时表示第一个堆栈元素;pop 的时候 top_element 减 1。
  

a_stack.c 源代码如下:

 

 

 

4.2 动态数组

头文件还是用 stack.h,改动的并不是很多,增加了 stack_size 变量取代 STACK_SIZE 来保存堆栈的长度,数组由一个指针来代替,在全局变量下缺省为 0。
  

create_stack 函数首先检查堆栈是否已经创建,然后才分配所需数量的内存并检查分配是否成功。destroy_stack 函数首先检查堆栈是否存在,已经释放内存之后把长度和指针变量重新设置为零。is_empty 和 is_full 函数中添加了一条断言,防止任何堆栈函数在堆栈被创建之前就被调用。
  

d_stack.c 源代码如下:

 

 

 

 

4.3 链式结构

由于只有堆栈顶部元素才可以被访问,因此适用单链表可以很好实现链式堆栈,而且无长度限制。把一个元素压入堆栈是通过在链表头部添加一个元素实现。弹出一个元素是通过删除链表头部第一个元素实现。由于没有长度限制,故不需要 create_stack 函数,需要 destroy_stack 进行释放内存以避免内存泄漏。
  

l_stack.c 源代码如下: