如何测量 C 中任意函数调用使用的堆栈数量？

Posted 2023-02-21

【中文标题】如何测量 C 中任意函数调用使用的堆栈数量？

【英文标题】：How to measure the amount of stack an arbitrary function call uses in C?

【发布时间】：2021-03-01 19:48:48

【问题描述】：

我们公司购买了一个专有的C函数：我们有一个编译库ProcessData.a和一个接口文件来调用它：

# ProcessData.h
void ProcessData(char* pointer_to_data, int data_len);

我们想在ARM 嵌入式 CPU 上使用这个函数，并且我们想知道它可能使用多少堆栈空间。

问题：如何测量任意函数的堆栈使用率？

到目前为止，我尝试的是实现以下辅助函数：

static int* stackPointerBeforeCall;

void StartStackMeasurement(void) 
    asm ("mov %0, sp" : "=r"(stackPointerBeforeCall));
    // For some reason I can't overwrite values immediately below the
    // stack pointer. I suspect a return address is placed there.
    static int* pointer;
    pointer = stackPointerBeforeCall - 4;
    // Filling all unused stack space with a fixed constant
    while (pointer != &_sstack) 
        *pointer = 0xEEEEEEEE;
        pointer--;
    
    *pointer = 0xEEEEEEEE;


void FinishStackMeasurement(void) 
    int* lastUnusedAddress = &_sstack;
    while (*lastUnusedAddress == 0xEEEEEEEE) 
        lastUnusedAddress++;
    
    // Printing how many stack bytes a function has used
    printf("STACK: %d\n", (stackPointerBeforeCall-lastUnusedAddress)*sizeof(int));

然后在函数调用前后使用它们：

StartStackMeasurement();
ProcessData(array, sizeof(array));
FinishStackMeasurement();

但这似乎是一个危险的 hack - 尤其是我从 stackPointerBeforeCall 中减去 4 并覆盖下面所有内容的部分。有没有更好的办法？

【问题讨论】：

没有好的方法可以做到这一点，但可能有一种不那么老套的方法。您运行此代码的嵌入式环境是否具有内存保护？它有线程吗？它是否具有（已弃用但不可替代的）POSIX 函数 getcontext、makecontext、setcontext 和 swapcontext？

用模式填充堆栈然后检查它是堆栈检查的正常方法。如果堆栈指针始终指向最后压入的值，则减 4 对于 32 位系统是正确的。 （我没有检查 ARM 的文档。）在不了解您的操作系统和/或可用库的详细信息的情况下，我们不知道您的系统上是否有任何特殊的堆栈检查机制。如果堆栈使用取决于数据，您可能必须使用不同的输入数据执行测试。考虑向库的创建者询问最大堆栈使用量。

正确的做法是询问供应商。

一种非常 hacky 的方法是通过汇编程序读取 sp，使用已知的十六进制序列、0xAA 等从 sp 到堆栈末尾的所有内容。然后检查函数改变了多少0xAA。不是一门精确的科学，而是用于确定裸机系统中的峰值堆栈使用的一个很好的老技巧。

顺便说一句，发布的代码需要确保pointer 没有在堆栈上分配，否则它可能会决定销毁自己并将内容替换为地址 0xEEEEEEEE :) 最好的解决方法是static int* pointer; pointer = stackPointerBeforeCall - 4;

【参考方案1】：

编译程序并分析相关函数的程序集或机器代码。许多函数以静态方式使用堆栈，而这种静态大小可以通过分析编译代码来推断。一些函数基于一些计算动态分配堆栈空间，通常与一些输入参数相关联。在这些情况下，您将看到用于分配堆栈空间的不同指令，并且必须回过头来推理如何得出动态堆栈大小。

当然，必须通过更新函数（库）来重新进行此分析。

【参考方案2】：

您可以使用getrusage，这是一个可以让您了解软件资源使用情况的函数，尤其是ru_isrss，它是

一个整数值以同样的方式表示，即用于堆栈空间的非共享内存量

(source)

然后，您可以通过对库的模拟调用将其与程序的堆栈使用情况进行比较。

但是，这只有在您的系统实现了ru_isrss（与 linux 不同）时才有效，否则该字段将设置为 0。