Phương pháp xử lý tình trạng Stack Overflow khi sử dụng RTOS

Giới thiệu nhanh

Chào các bạn,

Trong quá trình phát triển ứng dụng nhúng sử dụng RTOS (Real-Time Operating System), một trong những lỗi phổ biến nhưng cực kỳ nguy hiểm là Stack Overflow – tràn ngăn xếp. Stack Overflow không chỉ khiến chương trình hoạt động sai lệch, mà còn rất khó phát hiện nếu không có phương pháp xử lý hợp lý.

Trong bài viết này, mình sẽ chia sẻ một cách chi tiết và dễ hiểu nhất về:

• Stack là gì trong RTOS?
• Tại sao lại bị Stack Overflow?
• Cách phát hiện Stack Overflow.
• Phương pháp xử lý và phòng tránh.
• Biểu đồ minh họa quá trình cấp phát và tràn stack.

Hy vọng sau bài viết này, các bạn sẽ có thêm kiến thức thực chiến để tránh rơi vào "hố sâu không đáy" mang tên Stack Overflow. 😄

1. Stack trong RTOS là gì?

Khi một task (nhiệm vụ) được tạo trong RTOS, hệ điều hành sẽ cấp phát một vùng bộ nhớ RAM riêng biệt gọi là stack. Vùng này được sử dụng để:

• Lưu trữ biến cục bộ.
• Lưu địa chỉ trả về khi gọi hàm.
• Lưu ngữ cảnh task khi chuyển ngữ cảnh (context switching).

Mỗi task đều có stack riêng biệt và kích thước của nó được cấu hình khi tạo task.

2. Tại sao bị Stack Overflow?

Stack Overflow xảy ra khi:

• Task sử dụng quá nhiều biến cục bộ hoặc gọi đệ quy sâu.
• Hàm sử dụng trong task quá nặng, gọi nhiều hàm con lồng nhau.
• Cấu hình stack ban đầu quá nhỏ so với nhu cầu thực tế.
• Không có bảo vệ tràn stack (stack sentinel/check).

Minh họa hiện tượng Stack Overflow:

+------------------+ <- stack base (start)
| Dữ liệu ngữ cảnh |
| Biến cục bộ nhỏ |
| Biến cục bộ lớn | <- stack phát triển xuống
| Dữ liệu gọi hàm |
| ... |
| TRÀN STACK !!! |
+------------------+ <- stack end (overflow)

Trong kiến trúc như ARM Cortex-M, stack thường phát triển từ địa chỉ cao xuống thấp, nên nếu vượt quá giới hạn dưới => ghi đè vùng nhớ khác => lỗi khó đoán.

3. Cách phát hiện Stack Overflow

Tùy vào RTOS mà các bạn sử dụng (như FreeRTOS, Zephyr, CMSIS-RTOS...), có những phương pháp sau để phát hiện:

3.1 Sử dụng cơ chế phát hiện Stack Overflow của RTOS

Ví dụ: FreeRTOS hỗ trợ configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2

Khi kích hoạt, các hàm hook sau sẽ được gọi nếu phát hiện tràn stack:

void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask, char *pcTaskName)
{ // Log lỗi printf("Stack overflow tại task: %s\n", pcTaskName); // Xử lý: reset hệ thống, log flash, báo hiệu đèn LED...
}

Lưu ý: configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW = 1 chỉ kiểm tra vùng sentinel. Còn = 2 kiểm tra thêm khi chuyển task.

3.2 Sử dụng kỹ thuật canary/fill pattern

Trước khi task chạy, vùng stack được đổ đầy bằng giá trị cố định, ví dụ 0xA5A5A5A5.

Khi cần kiểm tra, ta duyệt từ đáy stack lên, đếm bao nhiêu byte đã bị ghi đè. Qua đó tính được mức sử dụng stack.

size_t getStackUsed(uint32_t *stack, size_t stackSize) { size_t used = 0; for (size_t i = 0; i < stackSize; i++) { if (stack[i] != 0xA5A5A5A5) { used++; } } return used * sizeof(uint32_t);
}

Đây là cách đo stack usage rất hiệu quả, giúp các bạn tối ưu RAM.

3.3 Dùng debugger hoặc công cụ hỗ trợ

• STM32CubeIDE, ESP-IDF monitor, hoặc J-Link hỗ trợ xem mức dùng stack trực tiếp.
• Một số IDE cho phép set watchpoint ở đáy stack => phát hiện ghi đè.

4. Phương pháp xử lý Stack Overflow

4.1 Xác định nguyên nhân gốc

• Task dùng nhiều stack nhất?
• Có gọi đệ quy hoặc dùng hàm thư viện chiếm RAM lớn?
• Có thao tác với buffer cục bộ lớn?

4.2 Tăng stack size hợp lý

Cân nhắc khi tạo task:

xTaskCreate(taskFunc, "Task1", 1024, NULL, 1, NULL);

Nếu phát hiện sử dụng > 900 bytes => nên tăng lên 1200 hoặc chia nhỏ chức năng task ra.

4.3 Tối ưu code giảm tiêu thụ stack

• Hạn chế dùng mảng lớn trong biến cục bộ.
• Hạn chế đệ quy.
• Dùng heap nếu cần buffer lớn tạm thời (malloc/free).
• Chuyển các biến cục bộ lớn thành biến static hoặc biến toàn cục nếu có thể.

4.4 Kích hoạt Stack Overflow Hook

Hãy luôn bật hook xử lý tràn stack trong cấu hình RTOS. Khi đó, nếu xảy ra lỗi, các bạn có thể:

• Ghi log ra flash.
• Nháy đèn LED cảnh báo.
• Gửi dữ liệu qua UART để debug.
• Reset lại hệ thống hoặc về chế độ an toàn.

4.5 Giám sát định kỳ mức sử dụng stack

Thiết lập timer hoặc task giám sát stack:

UBaseType_t uxHighWaterMark = uxTaskGetStackHighWaterMark(xHandle);
printf("Stack còn lại: %lu words\n", uxHighWaterMark);

Nếu thấy mức còn lại quá ít (< 100 words) => cần can thiệp sớm.

Biểu đồ minh họa: Stack dùng và Stack tràn

1. Stack Bình Thường:

Stack Size: 512 bytes +--------------------------+ <- Base Address
| Fill pattern 0xA5 |
| Fill pattern 0xA5 |
| Fill pattern 0xA5 |
| Sử dụng: 200 bytes |
+--------------------------+ <- Current SP
| |
| |
+--------------------------+ <- Stack End

2. Stack Overflow:

Stack Size: 512 bytes +--------------------------+ <- Base Address
| Fill pattern 0xA5 |
| Sử dụng: 600 bytes ❌ |
| DỮ LIỆU GHI ĐÈ!!! |
| Ghi đè vùng khác |
+--------------------------+ <- Stack End (đã bị vượt)

Kinh nghiệm thực tế

Một số kinh nghiệm mình đúc kết được khi làm với RTOS trên ESP32 và STM32:

• Không dùng printf trong task quan trọng nếu không biết rõ bộ thư viện stdio chiếm bao nhiêu stack.
• Khi gặp lỗi ngẫu nhiên reset, luôn nghĩ đến stack overflow đầu tiên.
• Luôn chạy debug build + kiểm tra mức sử dụng stack trong giai đoạn phát triển.

Checklist chống tràn stack

Tổng kết

Tình trạng Stack Overflow là "cơn ác mộng" của lập trình viên RTOS nếu không được phát hiện và xử lý đúng cách. Việc các bạn chủ động theo dõi, đo lường, và cấu hình phù hợp sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và nâng cao độ ổn định cho hệ thống nhúng.

Hãy nhớ rằng: Stack không bao giờ là đủ nếu các bạn không kiểm soát nó.