Como ocorre um “estouro de pilha” e como você o evita?

Como ocorre um estouro de pilha e quais são as melhores maneiras de garantir que isso não aconteça, ou formas de evitá-lo, principalmente em servidores da web, mas outros exemplos também seriam interessantes?

Pilha

Uma pilha, neste contexto, é o último a entrar, primeiro a sair do buffer onde você coloca os dados enquanto o programa é executado. Último a entrar, primeiro a sair (LIFO) significa que a última coisa que você coloca é sempre a primeira coisa que você retira - se você empurrar 2 itens na pilha, 'A' e depois 'B', então a primeira coisa que você pop fora da pilha será 'B', e a próxima coisa é 'A'.

Quando você chama uma função em seu código, a próxima instrução após a chamada de função é armazenada na pilha e qualquer espaço de armazenamento que possa ser substituído pela chamada de função. A função que você chama pode usar mais pilha para suas próprias variáveis ​​locais. Quando terminar, ele libera o espaço de pilha da variável local que usou e retorna à função anterior.

Estouro de pilha

Um estouro de pilha é quando você usou mais memória para a pilha do que seu programa deveria usar. Em sistemas embarcados, você pode ter apenas 256 bytes para a pilha, e se cada função ocupar 32 bytes, então você só pode ter chamadas de função 8 profundas - a função 1 chama a função 2 que chama a função 3 quem chama a função 4 .... quem chama a função 8 que chama a função 9, mas a função 9 sobrescreve a memória fora da pilha. Isso pode substituir a memória, o código, etc.

Muitos programadores cometem esse erro ao chamar a função A que então chama a função B, que então chama a função C, que então chama a função A. Pode funcionar na maioria das vezes, mas apenas uma vez a entrada errada fará com que ela vá para aquele círculo para sempre até que o computador reconheça que a pilha está exagerada.

Funções recursivas também são uma causa para isso, mas se você estiver escrevendo recursivamente (ou seja, sua função chama a si mesma), você precisa estar ciente disso e usar variáveis ​​estáticas / globais para evitar recursão infinita.

Geralmente, o sistema operacional e a linguagem de programação que você está usando gerenciam a pilha e ela está fora de seu controle. Você deve olhar seu gráfico de chamadas (uma estrutura de árvore que mostra o que cada função chama) para ver a profundidade de suas chamadas de função e para detectar ciclos e recursões indesejados. Os ciclos intencionais e a recursão precisam ser verificados artificialmente para que ocorram erros se eles se chamarem muitas vezes.

Além de boas práticas de programação, testes estáticos e dinâmicos, não há muito que você possa fazer nesses sistemas de alto nível.

Sistemas embarcados

No mundo incorporado, especialmente em código de alta confiabilidade (automotivo, aeronaves, espaço), você faz análises e verificações de código extensas, mas também faz o seguinte:

• Proibir recursão e ciclos - aplicado por políticas e testes
• Mantenha o código e a pilha distantes (código em flash, pilha em RAM e nunca os dois se encontrarão)
• Coloque faixas de proteção ao redor da pilha - área vazia da memória que você preenche com um número mágico (geralmente uma instrução de interrupção de software, mas há muitas opções aqui), e centenas ou milhares de vezes por segundo você olha para as faixas de proteção para ter certeza eles não foram substituídos.
• Use proteção de memória (ou seja, nenhuma execução na pilha, nenhuma leitura ou gravação fora da pilha)
• As interrupções não chamam funções secundárias - elas definem sinalizadores, copiam dados e permitem que o aplicativo cuide de processá-los (caso contrário, você pode chegar a 8 profundidades em sua árvore de chamada de função, ter uma interrupção e, em seguida, sair de outras funções dentro do interromper, causando o estouro). Você tem várias árvores de chamada - uma para os processos principais e outra para cada interrupção. Se suas interrupções podem interromper umas às outras ... bem, existem dragões ...

Linguagens e sistemas de alto nível

Mas em linguagens de alto nível executadas em sistemas operacionais:

• Reduza o armazenamento de variáveis ​​locais (as variáveis ​​locais são armazenadas na pilha - embora os compiladores sejam muito espertos sobre isso e às vezes irão colocar grandes locais na pilha se sua árvore de chamadas for rasa)
• Evite ou limite estritamente a recursão
• Não divida seus programas em funções cada vez menores - mesmo sem contar as variáveis ​​locais, cada chamada de função consome até 64 bytes na pilha (processador de 32 bits, economizando metade dos registros de CPU, sinalizadores, etc)
• Mantenha sua árvore de chamadas rasa (semelhante à declaração acima)

Servidores web

Depende da 'caixa de areia' que você tem se você pode controlar ou mesmo ver a pilha. Há boas chances de você tratar os servidores da web como faria com qualquer outra linguagem e sistema operacional de alto nível - está em grande parte fora de suas mãos, mas verifique a linguagem e a pilha do servidor que está usando. Ele é possível explodir a pilha no seu servidor SQL, por exemplo.

-Adão

Um estouro de pilha em código real ocorre muito raramente. A maioria das situações em que ocorre são recursões em que o encerramento foi esquecido. No entanto, pode ocorrer raramente em estruturas altamente aninhadas, por exemplo, documentos XML particularmente grandes. A única ajuda real aqui é refatorar o código para usar um objeto de pilha explícito em vez da pilha de chamadas.

A maioria das pessoas dirá que um estouro de pilha ocorre com recursão sem um caminho de saída - embora seja verdade, se você trabalhar com estruturas de dados grandes o suficiente, mesmo um caminho de saída de recursão adequado não o ajudará.

Algumas opções neste caso:

• Pesquisa abrangente
• Recursão de cauda , ótima postagem em blog específica para .Net (desculpe, .Net de 32 bits)

Um estouro de pilha ocorre quando Jeff e Joel querem dar ao mundo um lugar melhor para obter respostas a perguntas técnicas. É tarde demais para evitar esse estouro de pilha. Esse "outro site" poderia ter evitado por não ser desagradável. ;)

A recursão infinita é uma maneira comum de obter um erro de estouro de pilha. Para prevenir - sempre certifique-se de que haja um caminho de saída que será atingido. :-)

Outra maneira de obter um estouro de pilha (em C / C ++, pelo menos) é declarar alguma variável enorme na pilha.

char hugeArray[100000000];

Isso basta.

Normalmente, um estouro de pilha é o resultado de uma chamada recursiva infinita (dada a quantidade usual de memória em computadores padrão hoje em dia).

Quando você faz uma chamada para um método, função ou procedimento, a maneira "padrão" ou fazer a chamada consiste em:

1. Empurrando a direção de retorno da chamada para a pilha (essa é a próxima frase após a chamada)
2. Normalmente, o espaço para o valor de retorno é reservado na pilha
3. Colocar cada parâmetro na pilha (a ordem diverge e depende de cada compilador, também alguns deles às vezes são armazenados nos registros da CPU para melhorias de desempenho)
4. Fazendo a chamada real.

Então, normalmente isso leva alguns bytes dependendo do número e tipo dos parâmetros, bem como da arquitetura da máquina.

Você verá então que, se começar a fazer chamadas recursivas, a pilha começará a crescer. Agora, a pilha é normalmente reservada na memória de forma que ela cresça na direção oposta à pilha, então, dado um grande número de chamadas sem "voltar", a pilha começa a ficar cheia.

Agora, em tempos mais antigos, o estouro de pilha poderia ocorrer simplesmente porque você exauriu toda a memória disponível, simplesmente assim. Com o modelo de memória virtual (até 4 GB em um sistema X86) que estava fora do escopo, normalmente, se você receber um erro de estouro de pilha, procure uma chamada recursiva infinita.

O que? Ninguém tem amor por aqueles envolvidos por um loop infinito?

do
{
  JeffAtwood.WritesCode();
} while(StackOverflow.MakingMadBank.Equals(false));

Além da forma de estouro de pilha que você obtém de uma recursão direta (por exemplo Fibonacci(1000000)), uma forma mais sutil que experimentei muitas vezes é uma recursão indireta, onde uma função chama outra função, que chama outra, e então uma de essas funções chama a primeira novamente.

Isso pode ocorrer comumente em funções que são chamadas em resposta a eventos, mas que podem gerar novos eventos, por exemplo:

void WindowSizeChanged(Size& newsize) {
  // override window size to constrain width
    newSize.width=200;
    ResizeWindow(newSize);
}

Nesse caso, a chamada para ResizeWindowpode fazer com que o WindowSizeChanged()retorno de chamada seja disparado novamente, o que chama ResizeWindownovamente, até que você fique sem pilha. Em situações como essas, você geralmente precisa adiar a resposta ao evento até que o frame da pilha seja retornado, por exemplo, postando uma mensagem.

Considerando que isso foi marcado com "hacking", suspeito que o "estouro de pilha" a que ele se refere é um estouro de pilha de chamadas, em vez de um estouro de pilha de nível superior, como aqueles mencionados na maioria das outras respostas aqui. Na verdade, não se aplica a nenhum ambiente gerenciado ou interpretado como .NET, Java, Python, Perl, PHP, etc, nos quais os aplicativos da web são normalmente escritos, então seu único risco é o próprio servidor da web, que provavelmente está escrito em C ou C ++.

Confira esta discussão:

/programming/7308/what-is-a-good-starting-point-for-learning-buffer-overflow

Recriei o problema de estouro de pilha ao obter um número de Fibonacci mais comum, ou seja, 1, 1, 2, 3, 5 ..... portanto, cálculo para fib (1) = 1 ou fib (3) = 2 .. fib (n ) = ??.

para n, digamos que estamos interessados ​​- e se n = 100.000, então qual será o número de Fibonacci correspondente ??

A abordagem de um loop é a seguinte -

package com.company.dynamicProgramming;

import java.math.BigInteger;

public class FibonacciByBigDecimal {

    public static void main(String ...args) {

        int n = 100000;
        BigInteger[] fibOfnS = new BigInteger[n + 1];

        System.out.println("fibonacci of "+ n + " is : " + fibByLoop(n));
    }


    static BigInteger fibByLoop(int n){

        if(n==1 || n==2 ){
            return BigInteger.ONE;
        }

        BigInteger fib = BigInteger.ONE;
        BigInteger fip = BigInteger.ONE;


        for (int i = 3; i <= n; i++){

            BigInteger p = fib;
            fib = fib.add(fip);
            fip = p;
        }

        return fib;
    }

}

isso é bastante simples e o resultado é -

fibonacci of 100000 is : 25974069347221724166155034021275915414880485386517696584724770703952534543511273686265556772836716744754637587223074432111638399473875091030965697382188304493052287638531334921353026792789567010512765782716356080730505322002432331143839865161378272381247774537783372999162146340500546698603908627509966393664092118901252719601721050603003505868940285581036751176582513683774386849364134573388343651587754253719124105003321959913300622043630352137565254218239986908485563740801792517616293917549634585586163007628199160811098365263529954406942842065710460449038056471363460330005208522777075544467947237090309790190148604328468198579610159510018506082649192345873133991501339199323631023018641725364771362664750801339824312317034314529641817900511879573167668349799016820118499077566864568450662873924856039140476051995500662888263458771894106803700918793650017330117100283104739474562560914449328213748555738640805798130282666402703542944121049199958031318768058991865134251759599115205631553377039969410355182752749199598022575079020377981030899229849963044962558140455170002502997643221934621653662108418767454282982613982344783665815880408190033073829395000821320093747154851310272208173054322648669496309879147143629255542526240439996153269798768075106468190687921182991679644091782718685617029181022126792674013626504997849688436809752547001310045741864064482994858725517447466956518791269169932445648176733222571493149677633458466238303338202397024368594782876418757885729107101337003000942293335972927791914092128049015459762627910570552481588840517794181929052167695766087488155678601288183543542923073978101547857013284386127286201766539534449930019800629538936985500723286651317181135886613537472684585432548981137176605194616937916884425342594781263103889520479565943807153019112539648471126389007133628569101551453423329441284357220996286746119420951661002309740709965531900508158669911445442647882872642845017253320486483194578920399848938236367456182203750973485668474338872490493370316338265717607297788917989136673251906232471180372801739215723908227692280772924566627505383375006926077210593619421268920302567443565378008318306375933345023502569729065152853271943677560156660399164048825639676930792905029514886934137991251748566670747175149389790386533381395346848378086126737554383821108448976538368483182588363399173104558509056638462025014631311831087429077292622159430204291594740306101839816855066950261973761508571761199475875722129872053120607918649803615960923395941041186351688548839119185179061511562752936158490008721501922265117853150892510275280451512386037921846921215338292871369243215273327141574788295902601571954853164447945467502858402360002383447905203451080332820138038807089807348326201227952633606773669875783326254859449060219173688677862411205621098369850197290177157801120404586491539351157834995461006366357454485082418882790675313599505192062229760153765297973085881648731173082370598284894044874039320535929359764541655607954724778620299692329561389719894679422187273605123365595211331087787582288795975803204596084790245063851941743126163775104599211024868794963417068620929088930685252348056925998333775103901013166178123051145719327066291671254465121517468025481903583516889717075706778656188008220346836321018130262329960275994035799977740462449521145315883703579044832931500072461734173558055678321534543411700202585608091662941986374015145695722728369219632295111877625307534025947814482046574602884855000628069348113982760168555840795421620575435572915106415375929390228843561207926437055600623679865443824643739469724719459965557955058380348255978396827760847315302517889517186307227611036305093600742622617173630586132915440246954329046162586917746305785076749374879923291817501634840688134655343709975893536074051729094126976575932951568186247471276364688365517570183534172746626073065104511957628663499228486787805910851189856535554349587616640164475880286336297040462890970677362565843002353147494612339120686321466370878446992104275415694109122465685712047172411333784898167640969249816334211768571503116710400681753031921154156119580425706586931272762137106974722260296555246110537155545324997508432752001992143019105053629960070429632978051030666506387862681576587726837451289768507963663710593809112254288358391941211547737599813019216509521401333060709873137329265181692268450634439540567298120315463923249817937804691037934221694952291007930299492375072993250630509428139027930841344730614116433556147640931044259184813639305423693789765205264563476483182726333715121120306292338892864879492097378478618848682608046473195392008403983080088038690495574197562192939221108257663976813610444900247209483403267967688376213967440757138872928630798218493143438797780887379588968409461434159271317578365114578289355818599029235343888888465874521308381377794436361197628390368945957601203165022798579015453447473527069728514545998614229027372911314637820455162254475353567736227936485450357102086445412089842350389087702230398493802147348096874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20719241346483349639150948130975414332442092999307514810779190023461281223301617994299306188005334145506339321393396468616164169552202164479954172431711657444713641977332048993650747678441499295480730258564429423817876415064928783617679786771585107842357026402133880188756019892340568684232155856285086455252583770106205322242449879906252634840107743224881725586022333020763999338541520153438477254429178951306370503204449177977523708719582779767996861136265322911186296311646851599346606934605575459560631558300336976340002766851512938436388860908283761411577320035275651587459065670254394379311048385713132944906049265823631089495350900826731544972263966480886180415739778884728921746189741897217007700098624496537590127270152276345108749069480122106849520630025190116559635805524291802055869042596852610474128345184667369385800277002529653563667216198836724282269339503259303909945831686655422346548570208755046175205218537215672826799034181355206029998953664701065579005321295413369244724922124363245230428951884617791223380696742339806948872705875033892283950951352091231092581590069603951563677360671090505662996035718764232479207528361608055976977787564767672105212223271848214844466312614875842260926088757643317310232637688648225946912110323677375581221334705568059580083101274816739620195835980239674144898672768458698193767837571679367232130815861910459950589709910646869194634480385741438296295471313721736698361845581445057486761243224515199433621829161914680260911217930018647880500613516031443500761892134416024880917410512322903571792054979279709245024799408426961588184426161637800447594782122408732041244211691998055726491182436619218357147628914258057718717436880003241130087048193739622950171430900984769272374988759386399425305953316078916188108635059824445789427993465149159528848697574880258233535716778648268280511408854297327881977657369660057277001625924043016886599468629837172705958098087309018201209310034300587965526947880498092054843054676110346547480672906743997636125924346377199958438628123919854702024148800768808188480878923915913694632931132768493297772016466417275872591223547844808134333280500877588552646861195769621722393086937957571658218524162043419723839899327348034292623407223381551022091012629492497424232716988420232973032601617905756731112354658902982983131151236076067739689981538122869996420146098525797936912460163460887623212862056342159014791886321946596374834825642916162785329482393132294402310432772887681395502133482663886874532592815878545038909915619496324788550350902893909737189880039990261320158726786378730956781096253110080544894188579835659020636806996431650339120299443277267708693052407184165920700961392864019667257500870122181497331336958096003697517649513500402859262492033981110149532275336218445007443315624345324842179861083462613458975912348399707518542232816771872159568272432459108290198863903697845426225669125427470560975679848571366236790238784781612014779829390805131502581745237735295101652969345627861222411507835877553733483727644398380820006672147400344663227769189369676128789834889420946881023084270364528545049667596973188360444967028531906373969163579809288657199353977234954867871804164014152814894437850362910715178052858575839877111454742401564164771941163913549354667555935926088492005463846854030280809364172505836533680934072253108208447235702268098269514261624512040407115014487478561999228146645658939384880286438223138498523284523606670458051136796637510392481633361732745472757756368109773445392758275605974251607054686896577945305216023159398657809748015154149870977780787053570580084723768924221897503127585271401731176212798987449584061998439133656802977212087519349885044997139142851580323248230213406303125860726245416377652345055220510863182853596585207081733927095664450114040551065790550374177803933516583609045430477214222818168325396136349825252152322576909202542164096574526180660517779015929028842405999988827536919575401169546961522704012808575797661547221929256559639918209488946426575122887663303021337463674492174493516371047257329808328127264681877593565842183835947027920136639076897417389622525757826639908097926470114075803678505993818871845600946958332707751261812820153910417739509182441375619999378192403624695582359241714787027794484431087519018074141102903707060520851629757983617542510416422448675773507563380188953792631833898559559565278572279261555244947393636655339045286562154642883431622829211232904518422125328881014158840616199391950422300598983499665694635801868167170748188232158486477343867809115646607551753855522244285240494680336922999893007839000206901215177406964285739301969105009882785230537976379402579689532951124361667789105855572133817890899454539479159273749586002682378444868720372434888346168562900978505324970369333619424398028823643235538082080038757417109692897254998785662530488670330951505184521269449892515963920794214526065085160523256148619382824898380008150853515646427617008320964831179444019717801492133453359033366723767192297220699707660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Agora, outra abordagem que apliquei é por meio de Divide and Concur via recursão

ou seja, Fib (n) = fib (n-1) + Fib (n-2) e, em seguida, recursão adicional para n-1 & n-2 ..... até 2 e 1. que é programado como -

package com.company.dynamicProgramming;

import java.math.BigInteger;

public class FibonacciByBigDecimal {

    public static void main(String ...args) {

        int n = 100000;
        BigInteger[] fibOfnS = new BigInteger[n + 1];

        System.out.println("fibonacci of "+ n + " is : " + fibByDivCon(n, fibOfnS));

    }


    static BigInteger fibByDivCon(int n, BigInteger[] fibOfnS){

        if(fibOfnS[n]!=null){
            return fibOfnS[n];
        }

        if (n == 1 || n== 2){
            fibOfnS[n] = BigInteger.ONE;
            return BigInteger.ONE;
        }

        // creates 2 further entries in stack
        BigInteger fibOfn = fibByDivCon(n-1, fibOfnS).add( fibByDivCon(n-2, fibOfnS)) ;

        fibOfnS[n] = fibOfn;

        return fibOfn;

    }

}

Quando executei o código para n = 100.000, o resultado é o seguinte -

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError
    at com.company.dynamicProgramming.FibonacciByBigDecimal.fibByDivCon(FibonacciByBigDecimal.java:29)
    at com.company.dynamicProgramming.FibonacciByBigDecimal.fibByDivCon(FibonacciByBigDecimal.java:29)
    at com.company.dynamicProgramming.FibonacciByBigDecimal.fibByDivCon(FibonacciByBigDecimal.java:29)

Acima você pode ver que StackOverflowError foi criado. Agora, a razão para isso é muita recursão como -

        // creates 2 further entries in stack
        BigInteger fibOfn = fibByDivCon(n-1, fibOfnS).add( fibByDivCon(n-2, fibOfnS)) ;

Assim, cada entrada na pilha cria mais 2 entradas e assim por diante ... que é representado como -

Eventualmente, tantas entradas serão criadas que o sistema não será capaz de lidar com a pilha e StackOverflowError lançado.

Para Prevenção: Para a perspectiva do exemplo Acima - 1. Evite usar a abordagem de recursão ou reduza / limite a recursão novamente em uma divisão de nível, como se n for muito grande, então divida n para que o sistema possa lidar com seu limite. 2. Use outra abordagem, como a abordagem de loop que usei no primeiro exemplo de código. (Não tenho a intenção de degradar Divide & Concur ou Recursion, pois são abordagens lendárias em muitos algoritmos mais famosos ... minha intenção é limitar ou ficar longe da recursão se eu suspeitar de problemas de estouro de pilha)