不要動(dòng)輒滾粗，先看堆棧是否溢出

中國人是慣于精打細算的，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)導說(shuō)，魯迅說(shuō)得對！

于是，領(lǐng)導們經(jīng)常帶著(zhù)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(zhù)RAM資源好像不大夠，但是換個(gè)實(shí)現方式，還可以再擠一擠的吧？魯迅先生曾說(shuō)......”

好吧，領(lǐng)導們肯定讀過(guò)華嚴經(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)導們可能不知道，魯迅先生寫(xiě)錯了字不叫錯別字，叫“通假字”，我們寫(xiě)錯了就是實(shí)實(shí)在在的“錯別字”，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)現那么多功能，還能讓這些模塊配合無(wú)間地親密運轉，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)導折磨瘋了，這就是個(gè)16位的單片機，RAM總共512個(gè)字節。留給堆棧256個(gè)字節，剩下的就只有256字節了，哪能實(shí)現那么多功能呢？可是領(lǐng)導說(shuō)干嘛留給堆棧256個(gè)字節，堆棧留少一點(diǎn)RAM不就夠用了嗎？”

說(shuō)著(zhù)說(shuō)著(zhù)，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，但是領(lǐng)導就是不讓換。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)系統會(huì )跑飛的呀！”

看著(zhù)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)導說(shuō)的也不無(wú)道理，對于堆棧該設置多少，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)導辯護了起來(lái)：“也許領(lǐng)導說(shuō)得對吧，因為你確實(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(zhù)，一邊看著(zhù)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)導的意思應該是說(shuō)你對它的分配要照顧到應用、系統堆棧兩方面的需求，不可有所偏頗。

在MCU的地址空間中，RAM是連續分配一段線(xiàn)性地址空間，應用中用到的全局變量、中斷和系統調用用到的棧、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，當然你可以選擇不用‘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空間中的一段代碼復制到RAM空間內運行，以加快程序的運行速度，提高系統實(shí)時(shí)性。

所以，RAM資源確實(shí)是有限，不可能也不應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)，如果堆棧設置地過(guò)小也不行，因為設置過(guò)小的話(huà)，一旦程序設計得不合理就很容易出問(wèn)題。比如在函數調用中子函數中的局部變量太多、中斷優(yōu)先級設置得不合理導致高低中斷間的嵌套、中斷ISR程序過(guò)長(cháng)導致本中斷被嵌套，或者出現函數調用層次過(guò)深等程序設計不當之處都可能導致堆棧溢出，改變臨近堆棧的RAM空間中的內容，從而造成程序運行異常，發(fā)生故障甚至導致重大事故。

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

跟小王進(jìn)行了這段科普后，他著(zhù)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，堆棧不能設置得過(guò)大，也不能設置得過(guò)小，可是這好像等于什么也沒(méi)有說(shuō)一樣嘛。歸根到底，我該怎么設置堆棧的大小呢？”緩過(guò)神來(lái)的小王，突然發(fā)現我只是專(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。你需要根據源程序中每個(gè)函數的局部變量大小確定每個(gè)函數的堆棧使用量，然后根據編譯器生成的函數調用列表為每個(gè)函數建立調用樹(shù)，檢查每棵調用樹(shù)，確定從樹(shù)根到樹(shù)葉的調用路徑的堆棧使用量，從中選出最大堆棧使用量，同時(shí)，還要仔細分析系統用到的所有中斷，確定中斷服務(wù)程序的堆棧使用量?！?/span>

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

“但是，除了咱們自己寫(xiě)的程序，你所調用的C標準庫函數以及大值整數的乘除、浮點(diǎn)運算等對應的運行庫函數也會(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)分析方式對開(kāi)發(fā)者的技術(shù)水平、對產(chǎn)品代碼的理解程度要求非常高，得到的數據并不完善，而且這種方式依賴(lài)于具體的應用和源程序實(shí)現方式，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(zhù)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置堆棧大小的嘛？哎，做人難，做嵌入式軟件工程師更難??！”

3

我本以為這件事到此結束了，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？”

“當然有了，可以在鏈接文件中，對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，而對筆者投來(lái)欽敬的目光。實(shí)際上，就在吃飯的空當，我就在苦苦地思索，到底該怎樣，堆棧的空間分配才算適當。

如果不在鏈接文件中做任何設置，RAM就是堆棧區+全局變量區，這樣一來(lái)，堆棧區以下便是全局變量區，堆棧的生長(cháng)方向為自上而下，即向著(zhù)RAM地址減小的方向增長(cháng)，堆棧溢出時(shí)改變全局變量的值，可是很多情況下，你根本意識不到程序溢出，只有在特殊的觸發(fā)條件下程序運行某個(gè)功能時(shí)，你才可能意識到不對勁。

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

我緩緩著(zhù)解釋著(zhù)自己的思路，等著(zhù)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：“如果堆棧設置地比較大，不會(huì )發(fā)生溢出，那這個(gè)‘堆棧溢出緩沖區’也起不到什么作用，只會(huì )白白浪費RAM資源??！”

好吧，我承認，當時(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)，將堆棧區和堆棧溢出緩沖區的數據全部初始化為一個(gè)固定數據，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和堆棧區的數據，就可以判斷堆棧設置是否過(guò)大。

而且，第二次讀取這兩個(gè)區的數據時(shí)，從stack_max個(gè)數據后開(kāi)始讀取即可，比如上周期統計到堆棧用到100個(gè)字節，stack_max=100，下個(gè)周期從第101個(gè)字節開(kāi)始讀起就可以了。

如果你開(kāi)始設置堆棧為384個(gè)字節，跑了一天后，發(fā)現stack_max=210，那就把堆棧設置為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，‘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，于是他乖乖地改小了堆棧，把空出來(lái)的100來(lái)個(gè)字節都分給了全局變量，RAM一下子綽綽有余了，他很開(kāi)心地對我說(shuō)：看來(lái)還是不要動(dòng)輒滾粗，要先看看堆棧是否真的溢出！