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嵌入式面试八股文（十二）·FreeRTOS中·堆和栈

news 2025/4/29 6:30:34

1. 堆和栈

1.1 堆

1.2 栈

1.3 堆和栈的区别

1.3.1 分配方式

1.3.2 分配效率

1.3.3 生长方向

1.3.4 空间管理

1.3.5 存放内容

1. 堆和栈

1.1 堆

堆是一块用于动态分配内存的区域，用于存储程序运行时动态创建的对象。堆的大小可以在程序运行时动态调整。

堆由开发人员分配和释放，若开发人员不释放，程序结束时由 OS 回收。

堆的分配和释放需要调用相应的函数，如malloc()和free函数。

在FreeRTOS中堆用来分配任务、队列、信号量、互斥量等内核对象的内存。

FreeRTOS 提供了 5 种堆管理实现（heap_1 到 heap_5），开发者可通过 FreeRTOS/Source/portable/MemMang 目录下的文件选择。

堆大小：在 FreeRTOSConfig.h 中通过 configTOTAL_HEAP_SIZE 定义（单位：字节）。

void *pvPortMalloc(size_t xSize);  // 分配内存
void vPortFree(void *pv);          // 释放内存

堆的内存地址生长方向与栈相反，由低到高，但需要注意的是，后申请的内存空间并不一定在先申请的内存空间的后面，即 p2 指向的地址并不一定大于 p1 所指向的内存地址，原因是先申请的内存空间一旦被释放，后申请的内存空间则会利用先前被释放的内存，从而导致先后分配的内存空间在地址上不存在先后关系。堆中存储的数据若未释放，则其生命周期等同于程序的生命周期。

int main() {// C 中用 malloc() 函数申请char* p1 = (char *)malloc(10);cout<<(int*)p1<<endl;		//输出：00000000003BA0C0// 用 free() 函数释放free(p1);// C++ 中用 new 运算符申请char* p2 = new char[10];cout << (int*)p2 << endl;		//输出：00000000003BA0C0// 用 delete 运算符释放delete[] p2;
}

1.2 栈

栈是一种用于存储局部变量和函数调用信息的数据结构。栈的大小在程序编译时确定，通常较小。

栈由操作系统自动分配释放，用于存放函数的参数值、局部变量等，其操作方式类似于数据结构中的栈。参考如下代码：

int main() {int b;				//栈char s[] = "abc"; 	//栈char *p2;			//栈
}

栈的内存地址生长方向与堆相反，由高到底，所以后定义的变量地址低于先定义的变量，比如上面代码中变量 s 的地址小于变量 b 的地址，p2 地址小于 s 的地址。

栈中存储的数据的生命周期随着函数的执行完成而结束。

在FreeRTOS中，栈大小：在创建任务时通过 usStackDepth 参数指定（单位：sizeof(StackType_t)）。

xTaskCreate(TaskFunction, "Task", usStackDepth, NULL, priority, &Handle);

栈的分配方式有两种类型：

静态栈：预先分配固定大小的数组（StaticTask_t）。
动态栈：从堆中动态分配内存（默认方式）。

FreeRTOS菜鸟入门（七）·创建任务·静态任务创建-CSDN博客

FreeRTOS菜鸟入门（八）·创建任务·动态任务创建_freertos 创建动态任务的堆栈-CSDN博客

1.3 堆和栈的区别

1.3.1 分配方式

堆都是动态分配的，由程序员手动控制，堆的分配可以在任意时刻进行，不需要遵循特定的顺序。

栈有 2 种分配方式：静态分配和动态分配。

静态分配是由操作系统完成的，由编译器自动控制，栈的分配在编译时确定，无法在运行时改变，比如局部变量的分配。

动态分配由alloca()函数分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，它的动态分配是由操作系统进行释放，无需我们手工实现。

栈还用于中断时的保存现场和恢复现场。

简单来说，

堆的分配和释放由程序员控制，分配后可变；

栈的分配和释放由编译器控制，分配后不可变。

1.3.2 分配效率

堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制较为复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。

栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持：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。

堆的分配效率较低，需要在运行时动态分配和释放。

栈的分配效率较高，由编译器在编译时确定分配大小。

1.3.3 生长方向

堆的生长方向向上，内存地址由低到高；

对于堆需要注意：后申请的内存空间并不一定在先申请的内存空间的后面，原因是先申请的内存空间一旦被释放，后申请的内存空间则会利用先前被释放的内存，从而导致先后分配的内存空间在地址上不存在先后关系。

栈的生长方向向下，内存地址由高到低。

1.3.4 空间管理

堆的空间管理由程序员手动控制，需要注意内存泄漏和内存碎片的问题。

栈的空间管理由编译器自动控制，无效程序员关注。

1.3.5 存放内容

堆：

任务控制块（TCB）：TaskHandle_t 指向的结构体，包含任务状态、优先级、栈指针等信息。

任务栈空间（动态分配时）：通过 xTaskCreate() 创建任务时，从堆中分配栈内存。

队列（Queue）：xQueueCreate() 创建的队列数据结构和存储区域。

信号量/互斥量：xSemaphoreCreateBinary()、xSemaphoreCreateMutex() 等创建的同步对象。

定时器（Timer）：xTimerCreate() 创建的软件定时器结构。

动态分配的缓冲区：用户通过 pvPortMalloc() 手动申请的内存块。