嵌入式中堆栈的应用

《嵌入式系统中堆栈的运用》

班级：20091271班学号：2009127127 姓名：张永成

栈（操作系统）：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈栈使用的是一级缓存，他们通常都是被调用时处于存储空间中，调用完毕立即释放堆（操作系统）：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收，分配方式倒是类似于链表。堆则是存放在二级缓存中，生命周期由虚拟机的垃圾回收算法来决定（并不是一旦成为孤儿对象就能被回收）。所以调用这些对象的速度要相对来得低一些堆（数据结构）：堆可以被看成是一棵树，如：堆排序栈（数据结构）：一种后进先出的的数据结构。下面我们来简单介绍一下堆栈。

1．堆栈的逻辑结构和基本运算

从数据的逻辑结构角度看，堆栈（Stack）是一种运算上受限的线性表，在堆栈这样的线性表结构上仅允许从表的一端做插入或删除运算，被允许进行运算的一端称之为栈顶，而栈顶的位置是随插入或删除运算动态变化的，表中不允许操作的一端称为栈底。现实生活中类似堆栈这样的逻辑结构很多，例如，子弹夹、货物仓库中的货物叠放等。这种结构的最显著特点是“后进先出”，因此，堆栈又被称作后进先出表。

设栈为S，栈中有一个元素序列：S＝（a1，a2，……an），在这个栈中a1为栈底，an为栈顶，堆栈的逻辑形态如图10.13(a)所示

设有A、B、C三列火车须按顺序进入一单站台的车站，且进站过程中允许已进站的火车出站，进站顺序如图10.13(b)所示，则A、B、C可能的出站序列有五个，具体如下：

(1) C,B,A 进出站操作序列：A(I)->B(I)->C(I)->C(O)->B(O)->A(O);

(2) A,C,B 进出站操作序列：A(I)->A(O)->B(I)->C(I)->C(O)->B(O);

(3) A,B,C 进出站操作序列：A(I)->A(O)->B(I)->B(O)->C(I)->C(O);

(4) B,A,C 进出站操作序列：A(I)->B(I)->B(O)->A(O)->C(I)->C(O);

(5) B,C,A 进出站操作序列：A(I)->B(I)->B(O)->C(I)->C(O)->A(O);

特别提示：C、A、B不可能是一个出站序列！为什么？请你自己分析。

基于栈的逻辑结构的基本运算有如下几种：

（1）Inistack(S) 栈的初始化，即构造一个空栈S；

（2）Push(S ,x) 进栈（又称压栈）；将一个数据元素压入一个未满的栈；（3）Pop ( S ) 出栈（又称退栈）；将一个非空栈的栈顶元素取出赋予一变量；（4）StackLength( S ) 统计一个已存在的堆栈中实际拥有的元素个数；

（5）StackEmpty( S ) 判断栈是否非空，若S为空，则函数以真值“true”返回；

（6）Destroystack(S ) 将一个已存在的栈S销毁。

2．栈的顺序存储结构及基本算法

既然堆栈是一种操作受限的线性表，那么将这样的逻辑结构映射到内存中的一个简单的方法可以沿用顺序线性表的存储结构。用C语言描述顺序栈结构如下：＃define MAXSIZE <栈中允许的最大元素个数>

Elem Stack[MAXSIZE]；

int top，base； /? top为栈顶指示器，base为栈底指示器 ?/

用C语言描述的顺序栈的基本操作算法如下：

（1）压栈算法：

＃define MAXSIZE 20

typedef char Elem；

Elem Stack[MAXSIZE]；

int top＝－1；

……

void Push( Elem x )

{ if( top ＝＝ MAXSIZE － 1)

{printf(“\n 堆栈已满，无法执行压栈操作”)；

exit(0)；}

top ＋＋；

Stack[top]＝x；}

（2）出栈算法：

顺序栈结构定义同压栈算法。

Elem Pop( )

{ Elem x；

if( top ＝＝－1)

{printf(“\n 栈已空，无元素可出栈！”)；

exit(0)；}

x ＝ Stack[top]；

top ――；

return x；}

事实上栈的应用十分广泛，例如程序设计中的函数嵌套调用和函数的递归调用都会大量用到栈来存放函数的返回地址，因此，栈空间的大小往往事先无法予估，通常采用两个栈共用一段连续空间的做法来弥补某些不足。两个堆栈共享同一连续空间的情况如图10.14所示：

用C语言描述这样的结构如下：

＃define MAXSIZE <两个栈中共允许容纳的最大元素个数>

Elem DStack[MAXSIZE]；

int Ltop ＝－1；Rtop ＝ MAXSIZE ；

（3）两栈共享空间的压栈操作算法：

设栈结构已如前所定义，另设一变量WStack为判断压入左右栈标识。

void PushDStack(char WStack,Elem x)

{ if( Ltop +1==Rtop||Rtop-1==Ltop)

{ printf(“\n 栈空间已满，无法入栈！”)；

exit(0)；}

if( WStack !＝‘L’&& WStack !＝‘R’)

{ printf(“\n 参数错误！”)；

exit(0)；}

if(WStack ＝＝‘L’)

{ Ltop ＋＋；

DStack[Ltop] ＝ x；}

else{ Rtop ――；

DStack[Rtop] ＝ x；}

（4）两栈共享空间的退栈操作算法：

/?从左栈（WStack ＝’L’）或右栈（WStack ＝‘R’）出栈并按栈顶元素返回?/ Elem PopDStack(char WStack)

{ Elem x；

if( WStack !＝‘L’&& WStack !＝‘R’)

{ printf(“\n 参数错误！”)；

exit(0)；}

if( WStack ＝＝‘L’)

{ if( Ltop < 0)

{ printf(“\n 左栈已空，不能进行退左栈操作！”)；

exit(0)；}

x ＝ DStack[Ltop]；

Ltop ――；

return x；}

else { if( Rtop > MAXSIZE －1)

{ printf(“\n 右栈已空，不能进行退右栈操作！”)；

x ＝ DStack[Rtop]；

Rtop ＋＋；

return x；}}

3．堆栈的链式存储结构及算法

如果说两个顺序栈共享一个连续的存储空间，在很大程度上提高了空间的利用率和算法的灵活性的话；那么栈的另一种存储结构━━链式存储（简称链栈），则使得多个栈共享某一连续空间成为可能，而且建立在这样的链栈上的操作算法也具备链式操作的普遍性。一个带头结点的链栈如图10.15所示：

用C语言描述的链栈的数据结构定义如下：（设数据元素类型为整型）

typedef int Elem；

typedef struct snode{

Elem data；

struct node ?link；}SNODE；

（1）链栈的压栈操作算法：

/?设链栈中结点结构已如上定义，且链栈初始化已完成?/

void PushLstack(SNODE ?top，Elem x)

{ SNODE ?s；

s ＝ (SNODE ?) malloc (sizeof(SNODE))；

if( s ＝＝ NULL)

{ printf(“\n 内存已满，无法进栈！”)；

exit(0)；}

s －>data ＝ x；

s －>link ＝ top －>link；

top －>link ＝ s；

}

(2) 链栈的退栈操作算法：

/? 弹出栈顶元素赋予变量x，释放栈顶结点空间，按x元素返回 ?/

Elem PopLstack( SNODE ?top)

{ Elem x；

SNODE *p；

p = top –>link；

if( p = = NULL)

{ printf(“\n 堆栈已空，无法退栈！”)；

top –>link = p –>link；

x = p –>data；

free (p)；

return x；}

所以无论是顺序栈还是链栈，从存储结构和操作上来讲都类似于线性表，尽管操作上有所限制，但其算法都是较为容易实现的，因此在现实生活中有较为广泛的应用。下面深入了解一下堆栈在操作系统中的作用。

堆栈作用的就是用来保存局部变量，从本质上讲也就是将CPU寄存器的值保存到RAM中。在uCOS中，每一个任务都有一个独立的任务堆栈。为了深入理解任务堆栈的作用，不妨分析任务从“出生”到“消亡”的整个过程，具体就是分析任务的建立，运行，挂起几种状态中任务堆栈的变化情况。

现在假设系统运行着一个由用户创建的用以完成打印工作的任务TPrint。TPrint最初通过OSTaskCreate()函数创建，在该函数中与任务堆栈有关的第一段代码是大家比较熟悉的函数OSTaskStkInit()，这个函数是在uCOS移植过程中必须实现的，其作用是“初始化堆栈”,其实就是预先在RAM中的一块区域中把任务将来运行开始时CPU寄存器应处的状态(正确值)准备好，之后，任务第一次被内核调度器调度运行时，将这些准备好的数据(寄存器的值)推到CPU的寄存器中，如果数据设计的合理，CPU便会按照我们预先设计好的思路运行。所以，“初始化堆栈”实际上是做了一个“未雨绸缪”的工作。这个过程中有两点是必须慎重考虑的，一是PC该如何定位，二是CPU的其它寄存器(除PC之外)该怎么处理。先说第一点，因为任务是第一次运行，而任务从本质上将就是一段代码，所以PC指针应该定位到这段代码的第一行处，即所谓的入口地址(Entry Point)处，这个地址由任务指针保存着，所以把该指针值赋给PC即可。第二，这段代码还未被执行过，所以代码中的变量与CPU的其它寄存器一点关系也没有，因此R0-R12，R14可随便给值，或者不赋值也可，让这些寄存器保持原来的值，显然后者更为简单。最后再给CPSR赋值，用户可以根据实际需要使系统运行于系统模式或管理模式。经过入栈和出栈，此时SP指向任务堆栈的最底端(就是已经定义好的任务堆栈数组的最后一个元素)。

之后任务代码开始正式运行，因为CPU的寄存器是有限的，所以在运行时不可避免地要把一些临时变量暂时保存到堆栈中。具体应保存到哪个地址呢，不用担心，SP知道(任务第一次运行时，这个地址就是任务堆栈数组的最后一个元素的地址)。任务堆栈的大小和任务代码中临时变量的数目有关，如果这段代码临变量特别多，堆栈就应设计的大一些。

然后，TPrint任务由于某种原因将要被挂起，所以应把任务的运行现场放

到堆栈里保护起来，TPrint任务再次运行时再把这个现场还原，任务就能从上次断点处紧接着运行。那么，这个现场是什么呢?从本质上讲，TPrint任务的运行过程就是CPU在执行一段特定的代码，所以这个现场就是CPU的现场，也就是寄存器的值。这些寄存器的值包含了代码执行时的所有信息，包括当前运行到了这段代码的哪个位置处(由PC值指明)。因此，把CPU的寄存器的值推入堆栈，然后记住栈顶指针的位置(SP由OSTCBCur->OSTCBStkPtr保存)，当任务再次将要运行前，从SP指向的地址处依次把先前保存的CPU寄存器的值放到CPU的寄存器中，任务就可以从上次中断的地方准确无误地执行。这个过程就像突然把任务冻结了，与任务有关的任何东西都不能动了，一段时间之后又把任务解冻，与它有关的东西又变得可用，于是任务又可以跑起来了。

从以上分析可以看出，任务堆栈至始至终伴随着任务，与之生死与共，它的作用可以概括为两点：第一，当任务运行时，它用来保存一些局部变量;第二，当任务挂起时，它负责保存任务的运行现场，也就是CPU寄存器的值。有些朋友正是忽视了第一点，产生了“任务堆栈大小应是固定值的疑问”。这可能与对函数OSTaskStkInit()的理解有关，我们都称之为堆栈初始化函数，但此处的“初始化”与我们理解的初始化不太一样，平时讲的(变量的)初始化似乎指的是将变量的所有成员都一一初始化。而此处的堆栈的初始化仅仅是初始化了很大一个堆栈的一小部分，因为当前只有这部分是有用的，而剩余的大部分用不到，所以不用初始化，就像有些变量不用初始化一样(有默认值或随机值)。更深入一点考虑，当任务挂起时，任务堆栈中保存任务挂起前CPU寄存器的这一连续的区域肯定在整个堆栈的最上面;当任务重新开始运行时，SP弹出寄存器的值，这段区域变成空白的区域。而且，任务每次挂起前用来保存当前CPU寄存器这一连续区域在整个任务堆栈空间中是浮动的。