工程師們在進行軟體編寫時，經常會遇到莫名其妙的系統當機，或者出現Hardfault錯誤訊息，查了半天程式碼也找不到原因，最後才發現是因為堆疊溢出了。我這邊整理了一些關於堆和堆疊的個人見解，希望能在程式設計時避免踩到這些大坑，若有錯誤的地方也歡迎指正。
RAM 空間：分成 .data、.bss、堆 heap 和堆疊 stack。
.data 段：初始化的全域/靜態變數
.bss 段：未初始化的全域/靜態變數
堆（heap）：malloc() 函數動態分配的記憶體屬於堆的空間，執行時從 RAM 的低位址向上增長。在單晶片啟動檔案中也有對堆大小（Heap Size）的定義。
例如，新唐M031範例程式的啟動文件中，Heap Size（堆積大小）被設置為0，需要使用時需自行設定大小。
堆疊（stack）：用來存放函式的區域變數、函式的形參、函式的返回位址、中斷上下文位址（中斷嵌套從內部開始計算）等，從指定RAM區域的高位址向下增長。因此，我們在函式中的區域變數、陣列等不能超過堆疊的大小（包含嵌套的函式），否則程式會崩潰並進入HardFault。
當一個函式被呼叫時，系統會在堆疊上為該函式分配一塊連續的空間，用來存放這些臨時變數。當函式執行完畢，這塊空間會自動釋放。堆疊的記憶體分配和釋放是由編譯器自動完成的，遵循後進先出（LIFO）的原則。每當有新的函式呼叫發生時，堆疊指標會向下移動，為新的區域變數和參數分配空間；函式返回時，堆疊指標會向上移動，回收之前分配的空間。
例如，新唐 M031 範例程式的 startup 文件中，Stack Size 設定為 0x200，如果需要使用更大的堆疊空間，可以自行修改。
堆疊溢出是導致系統崩潰、當機、行為異常甚至安全漏洞的常見原因。堆疊空間是有限的，當函式呼叫嵌套過深、區域變數過大、中斷嵌套過多等情況消耗的堆疊空間超過了預留的大小，就會發生堆疊溢出，進而覆蓋其他記憶體區域（如堆區、全域資料區甚至程式碼區）。
導致堆疊溢出的具體操作和場景：
1、過深的遞迴呼叫
每次遞迴呼叫都會在堆疊上壓入新的返回位址、參數、區域變數等。如果遞迴層數太多，即使每層的區域變數很小，累積起來也會耗盡堆疊空間。
2、定義過大的局部變數（尤其是陣列）
在函式內部宣告非常大的區域變數（例如大型陣列、大型結構體），比如定義一個字元緩衝區[4096];就會在函式入口時在堆疊上分配 4KB 空間。如果堆疊總大小只有 1KB 或 2KB，瞬間就會溢出。
3、過深或過長的函式巢狀：
函式 A 呼叫 B，B 呼叫 C，C 呼叫 D...。每次函式呼叫都會在堆疊上壓入返回位址、暫存器上下文（由編譯器決定）、參數（有時透過暫存器傳遞，但當參數複雜或數量很多時也會使用堆疊），以及它自己的區域變數。呼叫鏈越長，累積的堆疊消耗就越大。
4、中斷嵌套過深或中斷處理函數消耗過大
允許高優先級中斷打斷低優先級中斷（中斷嵌套），在中斷服務程序中執行耗時操作、定義大型區域變數、呼叫複雜的函數（特別是呼叫鏈較長或有大型區域變數的函數）。
5、傳遞大型結構體或陣列作為函式參數
在函式參數中使用非常大的區域變數（例如大陣列、大結構體），堆疊會需要為這個區域變數分配非常大的空間，這很容易超出堆疊的總大小。
參考來源