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Linux应用程序设计:如何获取线程栈的使用信息?

面对的问题对于线程的栈空间,相信各位小伙伴都不陌生。它有下面的这几项特性:

面对的问题

对于线程的栈空间,相信各位小伙伴都不陌生。它有下面的这几项特性:

由操作系统分配固定的空间;

使用一个栈寄存器来保存实时位置;

后进先出。

Linux应用程序设计:如何获取线程栈的使用信息?

今天,我们不聊操作系统层面对栈的管理,只从应用程序的角度,来看一下如何实时获取栈的使用情况。

在一般的单片机/嵌入式程序开发过程中,在创建一个线程(或者称作任务)的时候,是可以指定给该线程分配多少栈空间的。

然后在调试的时候呢,周期性的打印出栈区的使用情况:消耗了多少空间,还剩余多少空间。

这样的话,跑完每一个测试用例之后,就能得到一个大致的统计数据,从而最终决定:需要给这个线程分配多少栈空间。

例如:在 ucOS 系统中,提供了函数 NT8U OSTaskStkChk(INT8U prio, OS_STK_DATA  *p_stk_data),来获取一个任务的栈使用信息。

但是在 Linux 系统中,并没有这样类似的函数,来直接获取栈使用信息。

因此,为了得到此线程的已使用和空闲栈空间,必须通过其他的方式来获取。

下面,就提供 2 种解决方案:正规军方式和杂牌军方式!

正规军方式

在 Linux 系统中,在创建一个线程的时候,是可以通过线程属性来设置:为这个线程分配多少的栈(stack)空间的。

如果应用程序不指定的话,操作系统就设置为一个默认的值。

线程创建完毕之后,操作系统在内核空间,记录了这个线程的一切信息,当然也就包括给它分配的栈空间信息。

为了让应用层能够获取到这个信息,操作系统也提供了相应的系统函数。代码如下:

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 ", stack_addr);
printf("stack bottom = %p ", stack_addr + stack_size);

从上面这段代码中可以看到,它只能获取栈空间的地址开始以及总的空间大小,仍然不知道当前栈空间的实际使用情况!

我找了一下相关的系统调用,Linux 似乎没有提供相关的函数。

怎么办?只能迂回操作。

我们知道,在 Linux x86 平台上,寄存器 ESP 就是来存储栈指针的。对于一个满递减类型的栈,这个寄存器里的值,就代表了当前栈中最后背使用的、那个栈空间的地址。

因此,只要我们能够获取到 ESP 寄存器里的值,就相当于知道了当前这个栈有多少空间被使用了。

那么怎样来获取 ESP 寄存器的值呢?既然是寄存器,那就肯定是使用汇编代码了。

很简单,就 1 行:

size_t esp_val;
asm("movl %%esp, %0" : "=m"(esp_val) :);

对不起,我错了!应该是 2 行代码,忘记变量定义了。

对于汇编代码不熟悉的小伙伴,可以参考之前总结的一篇文章:内联汇编很可怕吗?看完这篇文章,终结它!

找到第 4 个示例,直接抄过来就行。

好了,拿到了以上的所有信息,就可以计算出栈的已使用和空闲空间的大小了:

Linux应用程序设计:如何获取线程栈的使用信息?

把以上代码放在一起:

#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;
   // 获取栈寄存器 ESP 的当前值
   size_t esp_val;
   asm("movl %%esp, %0" : "=m"(esp_val) :);
   // 通过线程属性,获取栈区的起始地址和空间总大小
   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 ", esp_val);
   printf("statck top   = %p ", stack_addr);
   printf("stack bottom = %p ", stack_addr + stack_size);
   avail = esp_val - (size_t)stack_addr;
   used = stack_size - avail;
   printf("print_stack1: used = %d, avail = %d, total = %d ",
           used, avail, stack_size);

int main(int argc, char *agv[])

   print_stack1();
   return 0;

杂牌军方式

上面的正规军方法,主要是通过系统函数获取了线程的属性信息,从而获取了栈区的开始地址和栈的总空间大小。

为了获取这两个值,调用了 3 个函数,有点笨重!

不知各位小伙伴是否想起:Linux 操作系统会为一个应用程序,都提供了一些关于 limit 的信息,这其中就包括堆栈的相关信息。

这样的话,我们就能拿到一个线程的栈空间总大小了。

此时,还剩下最后一个变量不知道:栈区的开始地址!

我们来分析一下哈:当一个线程刚刚开始执行的时候,栈区里可以认为是空的,也就是说此时 ESP 寄存器里的值就可以认为是指向栈区的开始地址!

是不是有豁然开朗的感觉?!

但是,这仍然需要调用汇编代码来获取。

再想一步,既然此时栈区里可以认为是空的,那么如果在线程的第一个函数中,定义一个局部变量,然后通过获取这个局部变量的地址,不就相当于是获取到了栈区的开始地址了吗?

如下图所示:

Linux应用程序设计:如何获取线程栈的使用信息?

我们可以把这个局部变量的地址,记录在一个全局变量中。然后在应用程序的其他代码处,就可以用它来代表栈的起始地址。

知道了 3 个必需的变量,就可以计算栈空间的使用情况了:

// 用来存储栈区的起始地址
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 ", 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 ",
           used, avail, used + avail);

int main(int argc, char *agv[])

   int x = 0;
   // 记录栈区的起始地址(近似值)
   top_stack = (size_t)&x;
   print_stack2();
   return 0;

更讨巧的方式

在上面的两种方法中,获取栈的当前指针位置的方式,都是通过汇编代码,来获取寄存器 ESP 中的值。

是否可以继续利用刚才的技巧:通过定义一个局部变量的方式,来间接地获取 ESP 寄存器的值?

Linux应用程序设计:如何获取线程栈的使用信息?

void print_stack3()

   int x = 0;
   size_t used, avail;
   // 局部变量的地址,可以近似认为是 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 ",
           used, avail, used + avail);

int main(int argc, char *agv[])

   int x = 0;
   top_stack = (size_t)&x;
   print_stack3();
   return 0;

总结

以上的几种方式,各有优缺点。

我们把以上 3 个打印堆栈使用情况的函数放在一起,然后在 main 函数中,按顺序调用 3 个测试函数,每个函数中都定义一个整型数组(消耗 4K 的栈空间),然后看一下这几种方式的打印输出信息:

// 测试代码(3个打印函数就不贴出来了)
void print_stack1()

   ...

void print_stack2()

   ...

void print_stack3()

   ...

void func3()

   int num[1024];
   print_stack1();
   printf(" ********* ");
   print_stack2();
   printf(" ********* ");
   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;

打印输出信息:

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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