Linux應用程序設計：用一種討巧方式，來獲取線程棧的使用信息
面對的問題
對于線程的棧空間，相信各位小伙伴都不陌生。它有下面的這幾項特性：
- 由操作系統分配固定的空間;
- 使用一個棧寄存器來保存實時位置;
- 后進先出。
今天，我們不聊操作系統層面對棧的管理，只從應用程序的角度，來看一下如何實時獲取棧的使用情況。
在一般的單片機/嵌入式程序開發過程中，在創建一個線程(或者稱作任務)的時候，是可以指定給該線程分配多少棧空間的。
然后在調試的時候呢，周期性的打印出棧區的使用情況：消耗了多少空間，還剩余多少空間。
這樣的話，跑完每一個測試用例之后，就能得到一個大致的統計數據，從而最終決定：需要給這個線程分配多少棧空間。
例如：在 ucOS 系統中，提供了函數 NT8U OSTaskStkChk(INT8U prio, OS_STK_DATA *p_stk_data)，來獲取一個任務的棧使用信息。
但是在 Linux 系統中，并沒有這樣類似的函數，來直接獲取棧使用信息。
因此，為了得到此線程的已使用和空閑棧空間，必須通過其他的方式來獲取。
下面，就提供 2 種解決方案：正規軍方式和雜牌軍方式!
正規軍方式
在 Linux 系統中，在創建一個線程的時候，是可以通過線程屬性來設置：為這個線程分配多少的棧(stack)空間的。
如果應用程序不指定的話，操作系統就設置為一個默認的值。
線程創建完畢之后，操作系統在內核空間，記錄了這個線程的一切信息，當然也就包括給它分配的棧空間信息。
為了讓應用層能夠獲取到這個信息，操作系統也提供了相應的系統函數。代碼如下：
- pthread_attr_t attr;
- void *stack_addr;
- int stack_size;
- memset(&attr, 0, sizeof(pthread_attr_t));
- pthread_getattr_np(pthread_self(), &attr);
- pthread_attr_getstack(&attr, &stack_addr, &stack_size);
- pthread_attr_destroy(&attr);
- printf("statck top = %p \n", stack_addr);
- printf("stack bottom = %p \n", stack_addr + stack_size);
從上面這段代碼中可以看到，它只能獲取棧空間的地址開始以及總的空間大小，仍然不知道當前棧空間的實際使用情況!
我找了一下相關的系統調用，Linux 似乎沒有提供相關的函數。
怎么辦?只能迂回操作。
我們知道，在 Linux x86 平臺上，寄存器 ESP 就是來存儲棧指針的。對于一個滿遞減類型的棧，這個寄存器里的值，就代表了當前棧中最后背使用的、那個棧空間的地址。
因此，只要我們能夠獲取到 ESP 寄存器里的值，就相當于知道了當前這個棧有多少空間被使用了。
那么怎樣來獲取 ESP 寄存器的值呢?既然是寄存器，那就肯定是使用匯編代碼了。
很簡單，就 1 行：
- size_t esp_val;
- asm("movl %%esp, %0" : "=m"(esp_val) :);
對不起，我錯了!應該是 2 行代碼，忘記變量定義了。
對于匯編代碼不熟悉的小伙伴，可以參考之前總結的一篇文章：內聯匯編很可怕嗎?看完這篇文章，終結它!
找到第 4 個示例，直接抄過來就行。
好了，拿到了以上的所有信息，就可以計算出棧的已使用和空閑空間的大小了：
把以上代碼放在一起：
- #include <unistd.h>
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <string.h>
- #include <pthread.h>
- #include <sys/resource.h>
- void print_stack1()
- {
- size_t used, avail;
- pthread_attr_t attr;
- void *stack_addr;
- int stack_size;
- // 獲取棧寄存器 ESP 的當前值
- size_t esp_val;
- asm("movl %%esp, %0" : "=m"(esp_val) :);
- // 通過線程屬性，獲取棧區的起始地址和空間總大小
- memset(&attr, 0, sizeof(pthread_attr_t));
- pthread_getattr_np(pthread_self(), &attr);
- pthread_attr_getstack(&attr, &stack_addr, &stack_size);
- pthread_attr_destroy(&attr);
- printf("espVal = %p \n", esp_val);
- printf("statck top = %p \n", stack_addr);
- printf("stack bottom = %p \n", stack_addr + stack_size);
- avail = esp_val - (size_t)stack_addr;
- used = stack_size - avail;
- printf("print_stack1: used = %d, avail = %d, total = %d \n",
- used, avail, stack_size);
- }
- int main(int argc, char *agv[])
- {
- print_stack1();
- return 0;
- }
雜牌軍方式
上面的正規軍方法，主要是通過系統函數獲取了線程的屬性信息，從而獲取了棧區的開始地址和棧的總空間大小。
為了獲取這兩個值，調用了 3 個函數，有點笨重!
不知各位小伙伴是否想起：Linux 操作系統會為一個應用程序，都提供了一些關于 limit 的信息，這其中就包括堆棧的相關信息。
這樣的話，我們就能拿到一個線程的棧空間總大小了。
此時，還剩下最后一個變量不知道：棧區的開始地址!
我們來分析一下哈：當一個線程剛剛開始執行的時候，棧區里可以認為是空的，也就是說此時 ESP 寄存器里的值就可以認為是指向棧區的開始地址!
是不是有豁然開朗的感覺?!
但是，這仍然需要調用匯編代碼來獲取。
再想一步，既然此時棧區里可以認為是空的，那么如果在線程的第一個函數中，定義一個局部變量，然后通過獲取這個局部變量的地址，不就相當于是獲取到了棧區的開始地址了嗎?
如下圖所示：
我們可以把這個局部變量的地址，記錄在一個全局變量中。然后在應用程序的其他代碼處，就可以用它來代表棧的起始地址。
知道了 3 個必需的變量，就可以計算棧空間的使用情況了：
- // 用來存儲棧區的起始地址
- size_t top_stack;
- void print_stack2()
- {
- size_t used, avail;
- size_t esp_val;
- asm("movl %%esp, %0" : "=m"(esp_val) :);
- printf("esp_val = %p \n", esp_val);
- used = top_stack - esp_val;
- struct rlimit limit;
- getrlimit(RLIMIT_STACK, &limit);
- avail = limit.rlim_cur - used;
- printf("print_stack2: used = %d, avail = %d, total = %d \n",
- used, avail, used + avail);
- }
- int main(int argc, char *agv[])
- {
- int x = 0;
- // 記錄棧區的起始地址(近似值)
- top_stack = (size_t)&x;
- print_stack2();
- return 0;
- }
更討巧的方式
在上面的兩種方法中，獲取棧的當前指針位置的方式，都是通過匯編代碼，來獲取寄存器 ESP 中的值。
是否可以繼續利用剛才的技巧：通過定義一個局部變量的方式，來間接地獲取 ESP 寄存器的值?
- void print_stack3()
- {
- int x = 0;
- size_t used, avail;
- // 局部變量的地址，可以近似認為是 ESP 寄存器的值
- size_t tmp = (size_t)&x;
- used = top_stack - tmp;
- struct rlimit limit;
- getrlimit(RLIMIT_STACK, &limit);
- avail = limit.rlim_cur - used;
- printf("print_stack3: used = %d, avail = %d, total = %d \n",
- used, avail, used + avail);
- }
- int main(int argc, char *agv[])
- {
- int x = 0;
- top_stack = (size_t)&x;
- print_stack3();
- return 0;
- }
總結
以上的幾種方式，各有優缺點。
我們把以上 3 個打印堆棧使用情況的函數放在一起，然后在 main 函數中，按順序調用 3 個測試函數，每個函數中都定義一個整型數組(消耗 4K 的棧空間)，然后看一下這幾種方式的打印輸出信息：
- // 測試代碼(3個打印函數就不貼出來了)
- void print_stack1()
- {
- ...
- }
- void print_stack2()
- {
- ...
- }
- void print_stack3()
- {
- ...
- }
- void func3()
- {
- int num[1024];
- print_stack1();
- printf("\n\n ********* \n");
- print_stack2();
- printf("\n\n ********* \n");
- print_stack3();
- }
- void func2()
- {
- int num[1024];
- func3();
- }
- void func1()
- {
- int num[1024];
- func2();
- }
- int main(int argc, char *agv[])
- {
- int x = 0;
- top_stack = (size_t)&x;
- func1();
- return 0;
- }
打印輸出信息：
- espVal = 0xffe8c980
- statck top = 0xff693000
- stack bottom = 0xffe90000
- print_stack1: used = 13952, avail = 8362368, total = 8376320
- *********
- esp_val = 0xffe8c9a0
- print_stack2: used = 12456, avail = 8376152, total = 8388608
- *********
- print_stack3: used = 12452, avail = 8376156, total = 8388608
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