在实时程序的应用场景中，为了代码运行的低延迟和确定性，针对栈区，也是有一定的优化小技巧的。

栈预热

程序可能因为分配栈区内存的响应延迟导致的性能颠簸，从而导致实时任务的延迟抖动。

针对此问题，在实时程序关键任务未运行之前，提前访问栈区地址空间，从而触发缺页异常，分配物理页面，并函数返回。然后当实时程序在运行关键任务的函数调用和栈区变量分配时，由于之前栈区已经被预热过了，再次访问时，无需触发缺页异常，也就不会出现因为分配内存导致的性能颠簸了。

实施栈预热

对于栈区内存，预热的办法可以提供一个栈预热函数，函数内完成如下三个步骤

分配一个很大的临时变量，占领栈区
访问这个临时变量，触发页面申请
函数返回

经过这三步，相当于强行访问了栈区的内存，提前进行了内存申请，此时如果后面的函数为实时程序关键任务，那么其再进行函数调用或者栈区变量访问时，不会触发缺页异常。从而不会产生性能颠簸。

测试程序

我们编写一个测试程序验证和说明这一点。


#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <string.h>

#define ITERATIONS 10000
#define STACK_SIZE 1024 * 1024

static long long get_time() {
    struct timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts);
    return ((long long)ts.tv_sec * 1000000000LL + (long long)(ts.tv_nsec)) / 1000;
}

void test_stack_prefetch() {
    char stack[STACK_SIZE];
    memset(stack, 0x0, STACK_SIZE);
    return ;
}

void test_stack(int use_warmup) {
    double times[ITERATIONS];
    double start, elapsed;
    char stack[STACK_SIZE];

    if(use_warmup)
        test_stack_prefetch();

    for (int i = 0; i < ITERATIONS; i++) {
        start = get_time();
        test_stack_prefetch();
        times[i] = get_time() - start;
    }

    double max, min;
    max = min = times[0];
    for (int i = 1; i < ITERATIONS; i++) {
        if (times[i] < min) min = times[i]; // Min
        if (times[i] > max) max = times[i]; // Max
    }

    printf("  Min time: %.2f us\n", min);
    printf("  Max time: %.2f us\n\n", max);

    return ;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int use_warmup = 0;

    if (argc == 2) {
        use_warmup = atoi(argv[1]);;
    }

    printf("Stack size: %d bytes, Iterations: %d Warmup: %d\n", STACK_SIZE, ITERATIONS, use_warmup);

    test_stack(use_warmup);

    return 0;
}

这里函数test_stack_prefetch通过stack申请了STACK_SIZE大小的局部变量，这个变量存放在栈区，用来实施和模拟栈区的使用。

然后再通过memset将其全部设置为0，相当于全部访问了STACK_SIZE内的栈区内存，触发了缺页异常。

最后函数返回。

经过此函数的运行，从test_stack_prefetch函数的开始栈区sp 到 stack 变量地址加上 STACK_SIZE 大小的栈区，都被访问过。

因为 test_stack_prefetch 函数会返回，栈指针会缩小，下次运行函数时，其访问的栈区地址在上述栈区地址范围内，因为上述栈区地址已经提前访问过了，所以代码不会因为内存产生性能颠簸。

下面查看运行日志


# ./stack_prefetch 0
Stack size: 1048576 bytes, Iterations: 2 Warmup: 0
  Min time: 79.00 us
  Max time: 692.00 us

可以看到，对于申请1M的栈空间，如果不经过预热，那么首次申请的时间是 692 us。如果使用预热，那么根据上面的日志分析，应该是100us左右，下面运行验证


# ./stack_prefetch 1
Stack size: 1048576 bytes, Iterations: 2 Warmup: 1
  Min time: 102.00 us
  Max time: 103.00 us

总结

至此，我们通过这么一个小技巧，可以保证在实时程序处理关键任务时，不会因为栈的内存分配问题导致实时任务抖动。此方法通常可以用于在实时任务运行之前进行预热，或者定期对整个栈区范围进行定期预热。

目录

栈预热

实施栈预热

测试程序

总结