Effective C++笔记之二十四：stack overflow

news2024/11/23 3:16:40

溢出（Stack Overflow）是指程序运行过程中，栈空间被耗尽，导致无法继续分配栈内存的错误。C++程序中，栈用于存储函数调用的局部变量、返回地址、函数参数等。当栈空间耗尽时，会引发栈溢出，通常导致程序崩溃。
如果用的是Visual Studio，报错弹窗如下图所示。

如果用的是其他IDE，比如所Qt Creator，直接crash了，无任何提示。
通常的现象就是调用了一个函数，然后就崩了，注释调这个函数，一切正常。
函数本身当然是没问题的，比如：

ui->lable->setText("Hello World");

经调查发现是因为有函数中定义了大数组，大数组会占用大量栈空间，而函数调用也要使用栈，当刚好达到栈空间的临界值时就stack overflow了。

一.栈溢出的常见原因

1. 递归调用层次过深

递归函数在每次调用时，都会在栈上分配一个新的栈帧。当递归调用层次过深且没有足够的栈空间时，栈会溢出。
例子：

int main()
{
    main();
    return 0;
}

原因：
每次递归调用会占用栈空间，当递归调用层次过多时，栈内存耗尽，导致溢出。
在C++中，函数压栈（函数调用）和出栈（函数返回）是函数调用过程中的两个关键步骤。
函数压栈（函数调用）的过程如下：
①调用指令：在函数调用点，会发出一个调用指令（如call指令），将控制权转移到被调用函数的入口点。
②保存返回地址：调用指令执行前，当前函数的返回地址（下一条指令的地址）会被压入栈中，以便在函数执行完毕后返回到正确的位置。
③参数压栈：函数调用时，将函数的参数按照一定的顺序压入栈中。通常，参数从右至左依次入栈。
④保存寄存器值：在一些体系结构中，函数调用时需要保存一些寄存器的值，以便在函数执行完毕后能够恢复原始的寄存器状态。
⑤帧指针与局部变量压栈：为了支持函数内的局部变量和堆栈的动态分配，通常会在栈上维护一个帧指针（frame pointer），它指向当前函数的栈帧（stack frame）的底部。同时，函数内部定义的局部变量也会在栈上分配空间。
⑥执行函数体：一旦函数的参数、局部变量和其他上下文信息都被压入栈中，函数体中的代码开始执行。
函数出栈（函数返回）的过程如下：
①恢复寄存器值：在一些体系结构中，函数返回时需要恢复之前保存的寄存器的值。
②释放局部变量和帧指针：函数返回后，会释放函数内部定义的局部变量所占用的栈空间，并将帧指针恢复到上一层函数的栈帧。
③弹出参数和返回地址：函数返回后，参数和返回地址会从栈中弹出，将控制权返回到调用函数的正确位置。
解决办法：
●优化递归：尽量减少递归调用的深度。
●使用迭代：将递归算法改写为迭代算法，这样可以避免递归带来的栈空间占用。
●尾递归优化（如果编译器支持）：尾递归可以让编译器在递归调用时重用当前的栈帧，减少栈空间的消耗。

2. 局部变量占用过多的栈空间

局部变量存储在栈上，特别是大型数组或对象。如果局部变量过大，可能会导致栈空间耗尽。
例子：

int main()
{
    char myArray[1024 * 1024 * 2];
    return 0;
}

PS：需在Debug模式下测试，因为Release下未使用的局部变量会被优化掉。
原因：
栈空间有限（window上通常为1~2MB，linux下也只有几MB），而大数组会占用大量栈空间，导致栈溢出。
解决办法：
使用堆代替栈，将大数组或对象放到堆上

二.window上默认栈空间

首先要明确的是栈空间的大小是编译器在编译时指定的，每个线程都有自己独立的栈。

1.VC++编译器

For ARM64, x86, and x64 machines, the default stack size is 1 MB.

参考链接：/STACK (Stack allocations)
CreateThread函数的API文档中也有类似说明

By default, every thread has one megabyte of stack space. Therefore, you cannot create 2,048 or more threads on a 32-bit system without /3GB boot.ini option. If you reduce the default stack size, you can create more threads.

参考链接：CreateThread function
PS：CreateThread有个参数dwStackSize可以设置线程栈的大小
关于Windows进程和线程数的上限，可以参考这篇文章：Pushing the Limits of Windows: Processes and Threads
Windows进程创建时，会分配虚拟内存空间，一般而言，32位操作系统为4G(2G用户空间+2G内核空间)，而64位操作系统，虚拟内存寻址则大的多(8 TB用户空间+8TB内核空间)。WIndows线程创建时，会分配用户态Stack(栈)来传递函数参数(function parameters), 管理本地变量(local variables), 保存函数返回地址(function return addresses). 一般而言，线程用户态的stack默认保留大小为1 MB。所以在32位操作系统，线程数理论上也就是 2048个，一般会小于这个数。
用Visual Studio 2017 写个程序测试一下栈大小

#include <iostream>

int main()
{
    static int count = 0;
    char myArray[1024 * 10];
    std::cout << ++count << std::endl;
    main();
    return 0;
}

可以看到，算上main()函数的递归，栈空间是接近1MB的