芯耀
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我是老温，一名热爱学习的嵌入式工程师,关注我，一起变得更加优秀！
各位嵌入式底层牛马，开工大吉啦！~
（记错上班时间了，都不知道什么时候才能改掉爱上班的老毛病，嗐~）
在嵌入式软件开发里面，特别是刚入门不久的嵌入式工程师，栈溢出是最常见并且极具破坏力的内存操作错误之一。
今天，我们就来聊一下嵌入式软件栈溢出的成因和风险，以及在写bug的过程中如何规避栈溢出。
一、什么是嵌入式软件的栈溢出？
嵌入式软件系统的内存，通常会被规划出堆（Heap）和栈（Stack）这两个核心区域，比如，我们使用malloc和free函数的时候会使用堆（Heap）内存空间，而对于函数传参或局部变量，会使用栈（Stack）内存空间。
栈是一种“后进先出（LIFO）”的内存数据结构，由系统自动分配与释放，主要是用于存储函数的参数、局部变量、函数返回值等临时数据。
嵌入式软件系统的栈空间大小，通常是固定且有限的（一般几KB到几十KB不等），当我们在编程的时候，试图使用的栈空间超过了系统额定的栈空间大小的时候，就会发生“栈溢出”，也就是 Stack Overflow。
二、什么情况下会出现栈溢出？
区别于PC端软件，嵌入式软件的内存资源比较有限，栈空间的使用通常需要谨慎且严格控制，因此，栈溢出的问题在嵌入式编程里面更容易触发，并且触发之后的后果更加严重。
（1）局部变量占用过大的栈空间：在栈上面定义超大的数组、结构体等数据类型，这样会直接耗尽栈空间。比如在函数内部定义char buffer[10240]数组，若系统的栈空间只有8KB，则会立刻导致栈溢出。
（2）函数递归调用且没有终止条件：在软件编程的时候进行函数递归调用，并且没有正确设置退出条件，函数内部的传参和局部变量就会不断压入函数栈帧，当嵌套层数超出栈容量，就会导致栈溢出。
（3）函数嵌套调用过深：多层函数在嵌套调用的时候，每个函数就会调用栈帧空间，当嵌套的层数超过栈容量的时候，就会导致栈溢出。
（4）栈空间分配过小：嵌入式系统在初始化的时候，分配到的栈内存空间不足以支撑程序的正常运行，即使出现常规操作，也可能会导致出现栈溢出。
三、栈溢出的风险与弊端。
当嵌入式软件系统发生栈溢出的时候，其危害通常都会大于PC端软件系统，通常会导致以下风险弊端：
（1）程序崩溃与系统死机：栈溢出会覆盖函数的返回地址，从而导致程序函数跳转到错误的地址执行，会直接引发程序崩溃和系统复位。
（2）数据篡改与功能异常：溢出的栈内存数据，会对相邻内存区域的关键数据进行覆盖（比如寄存器值或全局变量等等），从而导致外设控制异常或数据计算错误，从而导致设备运行异常或崩溃。
（3）系统安全问题：恶意攻击者可能会利用栈溢出注入恶意代码并运行，从而篡改程序的执行流程，窃取设备数据或控制设备，这样对于联网的嵌入式设备而言风险极高。
（4）调试难度非常大：嵌入式软件栈溢出之后，导致的程序运行错误并没有固定的表现形式，往往容易在非溢出代码的地方产生运行异常，这会增加排查的难度。
四、代码示例，栈溢出的触发与规避
我们可以通过以下几个代码示例，来说明一下嵌入式软件有哪几种栈溢出情况，以及如何进行规避。
示例1：超大局部数组。
#include <stdio.h>// 嵌入式系统栈空间通常为8KB（8192字节），该函数声明的数组超出栈容量void stack_overflow_demo1() {// 声明10KB的局部数组，直接占用栈空间超出上限char large_buffer[10240];// 写入数据时触发栈溢出for (int i = 0; i < 10240; i++) {large_buffer[i] = 'a';}printf("数组赋值完成n"); // 大概率无法执行到此处}int main() {stack_overflow_demo1();return 0;}
示例2：无终止递归调用。
#include <stdio.h>// 无退出条件的递归函数，不断压栈导致溢出void recursive_overflow(int count) {int local_var = count; // 每次递归都会创建局部变量，占用栈帧// 无终止条件，递归会无限进行recursive_overflow(count + 1);}int main() {recursive_overflow(0);return 0;}
示例3：栈溢出的规避方案。
#include <stdio.h>#include <stdlib.h> // 包含malloc/free函数// 方案1：使用堆内存替代大局部数组void avoid_overflow1() {// 堆内存（malloc）不受栈空间限制，按需分配char *large_buffer = (char *)malloc(10240 * sizeof(char));if (large_buffer == NULL) { // 检查内存分配是否成功，避免空指针printf("内存分配失败n");return;}for (int i = 0; i < 10240; i++) {large_buffer[i] = 'a';}free(large_buffer); // 手动释放堆内存，避免内存泄漏large_buffer = NULL; // 清空指针，防止野指针}// 方案2：递归添加终止条件，避免无限递归void safe_recursive(int count, int max_count) {if (count >= max_count) { // 终止条件：达到最大递归次数则退出return;}int local_var = count;safe_recursive(count + 1, max_count); // 可控的递归深度}int main() {avoid_overflow1();safe_recursive(0, 100); // 限制递归深度为100，避免栈溢出return 0;}
五、栈溢出通用的规避方法
嵌入式软件工程师在进行软件编程的时候，就要开始注意规划栈空间的使用，通常使用以下几种通用方法来规避栈溢出。
（1）合理规划栈空间：根据程序的实际需求来配置栈空间的大小，避免配置过小而不够用，但同时也需要注意避免配置过大，挤占堆内存或其他内存区域，栈内存空间的分配需要合理。
（2）栈空间减少大对象存储：不要在函数内部定义大数组或大结构体，要将这些大内存对象放在堆内存（malloc/free分配）或全局/静态变量区域，栈空间仅仅存储必要的小变量。
（3）控制好函数的调用深度：需要时刻注意避免函数过深的嵌套调用，如果使用了递归函数，要设置明确的终止条件，并且限制其递归的深度。
（4）代码审查与静态分析：使用静态代码分析工具（比如Cppcheck、Lint）检测栈溢出的风险，重点检查一下超大型局部变量以及无终止条件的递归调用等场景。
（5）运行时监控：在关键的函数内部添加栈空间使用量监测，用来实时监控栈的剩余内存空间，这样可以提前预知栈溢出风险。
六、总结
嵌入式软件栈溢出的核心原因，通常是栈空间的使用超过了系统分配的固定上限，常见于函数内部定义超大局部变量、函数无限递归调用，等场景。
栈溢出通常都会导致程序运行崩溃、数据被篡改、以及系统安全等问题，在内存资源受限的嵌入式设备里面，危害极大。
有效规避栈溢出的关键，是需要嵌入式软件工程师合理规划栈空间，减少栈上大对象存储，控制好函数的调用深度，并且通过静态分析和运行时监控，进行提前防范。
祝各位嵌入式软硬件牛马工程师，新的一年，硬件无误，软件无bug！
