不要?jiǎng)虞m滾粗，先看堆棧是否溢出

中國(guó)人是慣于精打細(xì)算的，魯迅先生說(shuō)：“時(shí)間是海綿里的水，擠一擠總會(huì)有的！”

領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)，魯迅說(shuō)得對(duì)！

于是，領(lǐng)導(dǎo)們經(jīng)常帶著期盼的神情，忽悠苦逼的軟件工程師：“再多想想辦法吧，嗯，MCU的主頻是低了點(diǎn)，RAM資源是少了些，但是，考慮一下成本，MCU還是盡量不要換的吧？方法總比困難多，看著RAM資源好像不大夠，但是換個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，還可以再擠一擠的吧？魯迅先生曾說(shuō)......”

好吧，領(lǐng)導(dǎo)們肯定讀過(guò)華嚴(yán)經(jīng)，深諳佛菩薩“螺螄殼里做道場(chǎng)”的本事：大即是小，小即是大，大小無(wú)二無(wú)別！嫌功能太多，RAM資源太少，多少算多呀？為啥子要生出那么多分別心撒？

可是，領(lǐng)導(dǎo)們可能不知道，魯迅先生寫(xiě)錯(cuò)了字不叫錯(cuò)別字，叫“通假字”，我們寫(xiě)錯(cuò)了就是實(shí)實(shí)在在的“錯(cuò)別字”，而且佛菩薩的境界也是“非汝邊事”。所以，用小馬拉大車(chē)，在資源一般般的MCU中塞入盡可能多的代碼，實(shí)現(xiàn)那么多功能，還能讓這些模塊配合無(wú)間地親密運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)在不是我等的境界了！

這不，同事小王又找我來(lái)訴苦了。

1

“馬步君，救救我吧?？煲活I(lǐng)導(dǎo)折磨瘋了，這就是個(gè)16位的單片機(jī)，RAM總共512個(gè)字節(jié)。留給堆棧256個(gè)字節(jié)，剩下的就只有256字節(jié)了，哪能實(shí)現(xiàn)那么多功能呢？可是領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)干嘛留給堆棧256個(gè)字節(jié)，堆棧留少一點(diǎn)RAM不就夠用了嗎？”

說(shuō)著說(shuō)著，小王愈加地憤憤不平了：“明明有個(gè)管腳兼容的芯片，RAM有1k字節(jié)，但是領(lǐng)導(dǎo)就是不讓換。說(shuō)讓堆棧留少一點(diǎn)，哼，他知道個(gè)屁！滾粗，堆棧不夠的話(huà)系統(tǒng)會(huì)跑飛的呀！”

看著小王蠟黃黃的臉蛋和紅通通的眼睛，我心下有些不忍：‘萬(wàn)般皆苦，做人最苦，難怪如來(lái)說(shuō)為可憐愍者呀！’可是，領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)的也不無(wú)道理，對(duì)于堆棧該設(shè)置多少，很多人都是稀里糊涂，又有多少人能夠弄得明白呢？于是我竟而給領(lǐng)導(dǎo)辯護(hù)了起來(lái)：“也許領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)得對(duì)吧，因?yàn)槟愦_實(shí)不知道該給堆棧留多少空間吧？”

我一邊小心翼翼地說(shuō)著，一邊看著小王的臉慢慢地耷拉了下來(lái)，甚而就要拉到地上了。于是我趕忙提起萬(wàn)般的精力找補(bǔ)一番，給他講起MCU中RAM資源和堆棧分配的矛盾性來(lái)：

“RAM資源確實(shí)很重要，領(lǐng)導(dǎo)的意思應(yīng)該是說(shuō)你對(duì)它的分配要照顧到應(yīng)用、系統(tǒng)堆棧兩方面的需求，不可有所偏頗。

在MCU的地址空間中，RAM是連續(xù)分配一段線(xiàn)性地址空間，應(yīng)用中用到的全局變量、中斷和系統(tǒng)調(diào)用用到的棧、動(dòng)態(tài)分配用到的堆都要分配在這段有限的線(xiàn)性空間內(nèi)，當(dāng)然你可以選擇不用‘堆’。不過(guò)，如果有所富余，或者確實(shí)需要，你還得把存在程序存儲(chǔ)空間中的一段代碼復(fù)制到RAM空間內(nèi)運(yùn)行，以加快程序的運(yùn)行速度，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

所以，RAM資源確實(shí)是有限，不可能也不應(yīng)該盲目得為堆棧分配太大的尺寸。不過(guò)話(huà)又說(shuō)回來(lái)，如果堆棧設(shè)置地過(guò)小也不行，因?yàn)樵O(shè)置過(guò)小的話(huà)，一旦程序設(shè)計(jì)得不合理就很容易出問(wèn)題。比如在函數(shù)調(diào)用中子函數(shù)中的局部變量太多、中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置得不合理導(dǎo)致高低中斷間的嵌套、中斷ISR程序過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致本中斷被嵌套，或者出現(xiàn)函數(shù)調(diào)用層次過(guò)深等程序設(shè)計(jì)不當(dāng)之處都可能導(dǎo)致堆棧溢出，改變臨近堆棧的RAM空間中的內(nèi)容，從而造成程序運(yùn)行異常，發(fā)生故障甚至導(dǎo)致重大事故。

從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，在一定程度上，堆棧設(shè)置得大一些，有利于彌補(bǔ)程序設(shè)計(jì)的缺陷。話(huà)再說(shuō)回來(lái)，程序設(shè)計(jì)地很完美，就不需要設(shè)置那么大的堆棧。歸結(jié)到底，這就是個(gè)平衡木??！”

跟小王進(jìn)行了這段科普后，他著實(shí)有些懵圈了。于是我把他晾在一邊，忙活起了自己的事兒。

我想，上面那番話(huà)夠他消化一段時(shí)間的了。

2

快到飯點(diǎn)了，辦公室里突然熱鬧了起來(lái)，有人在大聲講電話(huà)，有人被踩了尾巴似的叫上一聲，然后戛然而止，就像被一把剪刀剪斷了聲線(xiàn)一般，有人開(kāi)始四處走動(dòng)串聯(lián)，但是我卻感到背后有一種異樣的寂靜！果然，一回頭，小王又找上門(mén)來(lái)了。

“馬步君，你剛才說(shuō)的是不錯(cuò)，堆棧不能設(shè)置得過(guò)大，也不能設(shè)置得過(guò)小，可是這好像等于什么也沒(méi)有說(shuō)一樣嘛。歸根到底，我該怎么設(shè)置堆棧的大小呢？”緩過(guò)神來(lái)的小王，突然發(fā)現(xiàn)我只是專(zhuān)業(yè)性地描述了問(wèn)題，卻沒(méi)有給出問(wèn)題的答案。

“孺子可教也，”小王的發(fā)問(wèn)讓我不禁有些凜然，我一邊向他投去贊賞的目光，一邊心下思忖該怎么樣回答。思量片刻，我又開(kāi)啟了說(shuō)教模式：

“可以通過(guò)靜態(tài)分析的方式確定堆?？臻g的尺寸。你需要根據(jù)源程序中每個(gè)函數(shù)的局部變量大小確定每個(gè)函數(shù)的堆棧使用量，然后根據(jù)編譯器生成的函數(shù)調(diào)用列表為每個(gè)函數(shù)建立調(diào)用樹(shù)，檢查每棵調(diào)用樹(shù)，確定從樹(shù)根到樹(shù)葉的調(diào)用路徑的堆棧使用量，從中選出最大堆棧使用量，同時(shí)，還要仔細(xì)分析系統(tǒng)用到的所有中斷，確定中斷服務(wù)程序的堆棧使用量?！?/span>

看著他再次陷入懵圈狀態(tài)，我滿(mǎn)意地點(diǎn)了點(diǎn)頭，鼓起腮幫子繼續(xù)說(shuō)教，

“但是，除了咱們自己寫(xiě)的程序，你所調(diào)用的C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)以及大值整數(shù)的乘除、浮點(diǎn)運(yùn)算等對(duì)應(yīng)的運(yùn)行庫(kù)函數(shù)也會(huì)消耗堆棧，它們的堆棧使用量具體是多少我也不是很清楚，但是應(yīng)該可以查得到。講到這里你也看到了，這種靜態(tài)分析方式對(duì)開(kāi)發(fā)者的技術(shù)水平、對(duì)產(chǎn)品代碼的理解程度要求非常高，得到的數(shù)據(jù)并不完善，而且這種方式依賴(lài)于具體的應(yīng)用和源程序?qū)崿F(xiàn)方式，所以，好麻煩！”

被說(shuō)到懷疑人生的小王再次鎖緊了眉頭，抿著嘴唇一言不發(fā)，他在想什么我不清楚，但是我想：“按照我剛才的說(shuō)法，我不是也不知道該怎么設(shè)置堆棧大小的嘛？哎，做人難，做嵌入式軟件工程師更難?。　?/p>

3

我本以為這件事到此結(jié)束了，沒(méi)曾想吃完飯后，小王又找上門(mén)來(lái)了，“馬步君，你剛才說(shuō)了，通過(guò)靜態(tài)分析判斷堆棧使用量對(duì)程序員要求很高，而且不通用，那么，有沒(méi)有一種動(dòng)態(tài)的判斷方式呢？”

“當(dāng)然有了，可以在鏈接文件中，對(duì)RAM的空間分配做手腳?！蔽以俅钨┵┒勂饋?lái)，這邊廂我吐沫飛濺，那邊廂小王兩眼放光。各位看官且先不要覺(jué)得筆者的思維實(shí)在敏捷、腦路不得了的靈光，而對(duì)筆者投來(lái)欽敬的目光。實(shí)際上，就在吃飯的空當(dāng)，我就在苦苦地思索，到底該怎樣，堆棧的空間分配才算適當(dāng)。

如果不在鏈接文件中做任何設(shè)置，RAM就是堆棧區(qū)+全局變量區(qū)，這樣一來(lái)，堆棧區(qū)以下便是全局變量區(qū)，堆棧的生長(zhǎng)方向?yàn)樽陨隙拢聪蛑鳵AM地址減小的方向增長(zhǎng)，堆棧溢出時(shí)改變?nèi)肿兞康闹?，可是很多情況下，你根本意識(shí)不到程序溢出，只有在特殊的觸發(fā)條件下程序運(yùn)行某個(gè)功能時(shí)，你才可能意識(shí)到不對(duì)勁。

所以，為了第一時(shí)間就檢查到堆棧溢出，要加入一個(gè)緊鄰堆棧區(qū)的新區(qū)，這個(gè)新區(qū)叫‘堆棧溢出緩沖區(qū)’。想一想哈，這時(shí)堆棧溢出時(shí)就會(huì)改變‘堆棧溢出緩沖區(qū)’的數(shù)據(jù)，只要我上電初始化時(shí)將‘堆棧溢出緩沖區(qū)’初始化為固定數(shù)據(jù)，然后定期查詢(xún)這個(gè)新區(qū)中的數(shù)據(jù)，就能判斷堆棧是否溢出，而且可以判斷這一段時(shí)間內(nèi)的最大堆棧使用量?！?/p>

我緩緩著解釋著自己的思路，等著小王慢慢跟上來(lái)。過(guò)了一會(huì)兒，小王又猝不及防地發(fā)問(wèn)了：“如果堆棧設(shè)置地比較大，不會(huì)發(fā)生溢出，那這個(gè)‘堆棧溢出緩沖區(qū)’也起不到什么作用，只會(huì)白白浪費(fèi)RAM資源啊！”

好吧，我承認(rèn)，當(dāng)時(shí)確實(shí)被他問(wèn)住了，但是，既然之前的思路已經(jīng)打開(kāi)，再打個(gè)小補(bǔ)丁就不算什么難事了。我思量片刻，就給出了讓他滿(mǎn)意的答案：

“可以在MCU上電初始化時(shí)，將堆棧區(qū)和堆棧溢出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部初始化為一個(gè)固定數(shù)據(jù)，比如0xa5，將最大堆棧使用量記為stack_max，然后用一個(gè)周期定時(shí)器定時(shí)讀取堆棧溢出緩沖區(qū)和堆棧區(qū)的數(shù)據(jù)，就可以判斷堆棧設(shè)置是否過(guò)大。

而且，第二次讀取這兩個(gè)區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，從stack_max個(gè)數(shù)據(jù)后開(kāi)始讀取即可，比如上周期統(tǒng)計(jì)到堆棧用到100個(gè)字節(jié)，stack_max=100，下個(gè)周期從第101個(gè)字節(jié)開(kāi)始讀起就可以了。

如果你開(kāi)始設(shè)置堆棧為384個(gè)字節(jié)，跑了一天后，發(fā)現(xiàn)stack_max=210，那就把堆棧設(shè)置為256就可以了。這樣就能解決你的問(wèn)題-科學(xué)合理地縮小堆棧分配了！”

4

過(guò)了幾天，小王終于發(fā)現(xiàn)，‘原來(lái)’自己的程序用到的堆棧從來(lái)都不會(huì)超過(guò)130個(gè)字節(jié)，于是他乖乖地改小了堆棧，把空出來(lái)的100來(lái)個(gè)字節(jié)都分給了全局變量，RAM一下子綽綽有余了，他很開(kāi)心地對(duì)我說(shuō)：看來(lái)還是不要?jiǎng)虞m滾粗，要先看看堆棧是否真的溢出！