Arduino安全遞歸調(diào)用

樂萬德， 劉舟洲， 曹敬馨， 初建杰

（1.西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安710077；2.西北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)與人機(jī)功效工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072）

0 引 言

作為一款便捷靈活的開源電子原型平臺(tái)，Arduino得到了廣泛的應(yīng)用，比如汽車并線輔助系統(tǒng)［1］、智能防盜系統(tǒng)［2］，制作機(jī)械書畫手臂［3］、智能盆栽養(yǎng)護(hù)瓶［4］等。Arduino在高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中也發(fā)揮著越來越重要的作用，不僅用于案例教學(xué)［5］，參與競(jìng)賽活動(dòng)［6］，還用于實(shí)驗(yàn)調(diào)試［7］、實(shí)驗(yàn)室管理［8］等，也有學(xué)者研究其生態(tài)擴(kuò)充［9］。

遞歸算法在數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都占據(jù)著十分重要的地位。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，遞歸函數(shù)由于邱奇-圖靈定理顯示出重要意義［10］，邱奇-圖靈論題告訴我們一切可計(jì)算過程都可以用圖靈機(jī)模擬，1935年丘奇論題提出著名的“算法可計(jì)算函數(shù)都是遞歸函數(shù)”。同時(shí)遞歸函數(shù)是C語言等計(jì)算機(jī)編程中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，國內(nèi)外對(duì)于遞歸函數(shù)的教學(xué)進(jìn)行了廣泛的研究。Rinderknecht［11］在廣泛研究遞歸在編程語言中出現(xiàn)及被程序員采用的歷史之后，提出了遞歸的課程方法。文獻(xiàn)［12-14］中對(duì)C語言中遞歸函數(shù)的教學(xué)方法、教學(xué)設(shè)計(jì)、微課等教學(xué)形式進(jìn)行了探討。

與某些單片機(jī)有限支持甚至不支持遞歸調(diào)用不同，Arduino支持遞歸調(diào)用。而前述文獻(xiàn)雖然分別對(duì)于Arduino與遞歸進(jìn)行了廣泛的研究，但Arduino內(nèi)存有限，遞歸算法在Arduio系統(tǒng)中棧溢出隱患問題鮮有研究。本文旨在探索Arduino安全遞歸調(diào)用，以期進(jìn)一步釋放Arduino應(yīng)用潛能。

1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文實(shí)驗(yàn)硬件為目前廣泛應(yīng)用的Arduino UNO R3。作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板，UNO的處理器核心ATmega328，具有14路數(shù)字輸入／輸出口（其中6路可作為PWM輸出）、6路模擬輸入、SRAM 2 KB［15］。Arduino板通過USB與筆記本電腦相連。軟件開發(fā)平臺(tái)為Arduino IDE 1.8.9。

2 問題引入

在Arduino IDE輸入圖1所示代碼，編譯、下載到Arduino UNO后，在PC端打開串口監(jiān)視窗口。

圖1 不安全的Arduino遞歸調(diào)用

如圖1（a）所示，在串口監(jiān)視窗口可以看到，在Arduino UNO里用遞歸調(diào)用算法可以求出sum（1，2，…，500）的正確結(jié)果為125 250，沒有發(fā)生棧溢出。

作為對(duì)比，把上面的代碼稍作修改，即把上面else分支中return n＋sum（n－1）語句改為：

unsigned long temp＝sum（n－1）；

return n＋temp；

重新編譯、下載，在圖1（b）中串口監(jiān)視窗口中顯示異常，沒有得到期望的結(jié)果，顯然發(fā)生了遞歸棧溢出。

由此可見，Arduino UNO在編譯時(shí)對(duì)遞歸調(diào)用在某些場(chǎng)景做了優(yōu)化，使遞歸調(diào)用?？梢灾貜?fù)利用，從而避免棧溢出，但不是所有遞歸都進(jìn)行了優(yōu)化。因此，有必要對(duì)Arduino遞歸調(diào)用進(jìn)行研究，以便對(duì)Arduino進(jìn)行安全遞歸調(diào)用。

3 安全遞歸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

安全遞歸調(diào)用要解決兩個(gè)基本問題，一是要設(shè)計(jì)出正確的遞歸算法；二是要防止遞歸調(diào)用棧溢出。

3.1 遞歸算法

遞歸算法具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：①一個(gè)更大規(guī)模的問題可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)規(guī)模更小的同樣問題的求解，即問題的遞推性。②當(dāng)一個(gè)問題轉(zhuǎn)換到某個(gè)規(guī)模足夠小的問題時(shí)有確定的解，即問題的收斂性，也即遞推終止條件。

以階乘為例，要求n！，可以把問題轉(zhuǎn)換成n*（n－1）！，即只需要求出（n－1）！這就是遞推關(guān)系，即特點(diǎn)一。遞推到足夠小比如1！為1是確定的，第2個(gè)特點(diǎn)即遞歸終止條件滿足。

一旦識(shí)別出上述兩個(gè)特點(diǎn)，不難編寫出遞歸程序，通常只需要將上述兩個(gè)條件映射為遞歸程序判斷結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分支。

3.2 遞歸棧溢出

遞歸算法需要注意的第2個(gè)問題是遞歸棧溢出的問題，即本文研究的重點(diǎn)。遞歸調(diào)用本質(zhì)上是函數(shù)調(diào)用，涉及到函數(shù)參數(shù)及函數(shù)返回地址等壓棧。遞歸調(diào)用層數(shù)過多，棧地址與堆地址就會(huì)發(fā)生碰撞，也叫棧溢出。棧溢出會(huì)導(dǎo)致程序工作異常，需要避免。Arduino UNO的RAM內(nèi)存空間只有2 KB，在掌握遞歸算法的基礎(chǔ)上，更要關(guān)注遞歸棧溢出問題。

3.3 實(shí)驗(yàn)原理

3.3.1 AVR遞歸調(diào)用棧

Arduino UNO采用AVR ATMega328作為芯片平臺(tái)。AVR芯片的SRAM存儲(chǔ)示意圖如圖2所示。主要包括靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)、堆空間和棧空間。其中靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)和堆空間占據(jù)著低地址空間，且自下而上生長。而棧空間占據(jù)著高地址空間，且自上而下生長，主要應(yīng)用于快速便捷地保存臨時(shí)數(shù)據(jù)、局部變量和中斷調(diào)用或子程序調(diào)用的返回地址。棧在系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中起著非常重要的作用，只要程序中使用了中斷和子程序調(diào)用，就必須在SRAM空間建立棧空間，并正確地設(shè)置棧指針寄存器SP。

圖2 Arduino SRAM中的存儲(chǔ)示意圖

當(dāng)執(zhí)行PUSH指令，1 byte的數(shù)據(jù)被壓入棧，棧指針（SP中的數(shù)據(jù)）將自動(dòng)減1；當(dāng)執(zhí)行子程序調(diào)用指令CALL或CPU響應(yīng)中斷時(shí)，硬件會(huì)自動(dòng)把返回地址（16位數(shù)據(jù)）壓入棧中，同時(shí)將棧指針自動(dòng)減2；反之，當(dāng)執(zhí)行POP指令，從棧頂部彈出1 byte的數(shù)據(jù)，棧指針將自動(dòng)加1；當(dāng)執(zhí)行從子程序返回或從中斷返回指令時(shí)，返回地址將從棧頂部彈出，棧指針自動(dòng)加2。

由于AVR的棧是向下增長的，即新數(shù)據(jù)進(jìn)入棧時(shí)棧頂指針的數(shù)據(jù)將減小，所以隨著?？臻g和堆空間的增長，剩余內(nèi)存會(huì)不斷減小，甚至內(nèi)存耗盡，發(fā)生棧溢出。

3.3.2 安全遞歸調(diào)用算法

如果在每次遞歸調(diào)用之前都能清楚地知道剩余內(nèi)存的情況和本次遞歸調(diào)用所需內(nèi)存，就可以有效防止內(nèi)存耗盡及棧溢出情況。關(guān)于Arduino剩余動(dòng)態(tài)內(nèi)存的查看，可參考文獻(xiàn)［16］，本文采用圖3所示的算法來探測(cè)并規(guī)避遞歸調(diào)用棧溢出。

圖3 Arduino剩余內(nèi)存探測(cè)

圖3所示的算法實(shí)現(xiàn)為函數(shù)，命名為availableMemory。在程序研發(fā)或者debug過程中，將availableMemory函數(shù)置于遞歸函數(shù)中，如果遞歸調(diào)用深度過深，內(nèi)存可能耗盡，availableMemory返回的內(nèi)存就會(huì)接近0。當(dāng)剩余內(nèi)存小于單次遞歸調(diào)用所需的內(nèi)存，則告警并記錄遞歸調(diào)用最大深度后安全返回。

Arduino安全遞歸調(diào)用算法如圖4所示。在算法中設(shè)置一個(gè)遞歸調(diào)用狀態(tài)參數(shù)State，初始化State為1，表示遞歸狀態(tài)正常。每次遞歸調(diào)用時(shí)通過availableMemory計(jì)算剩余內(nèi)存，如果剩余內(nèi)存小于預(yù)設(shè)閾值，則將State變量設(shè)置為0，表示遞歸有棧溢出風(fēng)險(xiǎn)，即遞歸狀態(tài)異常。每次遞歸調(diào)用時(shí)先查看State，只有當(dāng)State為1才進(jìn)行進(jìn)一步的包括遞歸調(diào)用在內(nèi)的后續(xù)操作，這樣就妥善處理了棧溢出異常。最小閾值M1可以設(shè)置為每次遞歸調(diào)用需要消耗的內(nèi)存。因?yàn)槊看芜f歸調(diào)用的壓棧過程都是從高地址向低地址順序壓棧的，對(duì)于單次遞歸調(diào)用所消耗的內(nèi)存M1，可以就兩次遞歸調(diào)用同一個(gè)變量的內(nèi)存地址相減得到。

圖4 Arduino安全遞歸調(diào)用算法流程圖

4 Arduino典型遞歸實(shí)驗(yàn)

4.1 Arduino階加遞歸實(shí)驗(yàn)

常見的入門遞歸實(shí)例是求階乘，隨著n的增加，階乘的結(jié)果迅速變大，容易造成存放其結(jié)果的數(shù)據(jù)類型越界。為了實(shí)驗(yàn)Arduino的遞歸支持能力，本文將乘改為加，設(shè)計(jì)了一個(gè)用遞歸算法實(shí)現(xiàn)從1～n求和的遞歸程序，稱之為階加。階加的遞推公式及終止條件如下：

階加的遞歸調(diào)用算法與階乘的遞歸調(diào)用算法類似，以n＝4為例，其遞歸調(diào)用棧入棧出棧如圖5所示。遞歸算法中，recSum（4）需要做函數(shù)調(diào)用，其參數(shù)及函數(shù)返回地址入棧，同理recSum（3）、recSum（2）、recSum（1）也需做遞歸調(diào)用并依次入棧，此時(shí)入棧全部結(jié)束，遞歸調(diào)用棧如圖5（a）所示。

圖5 n為4時(shí)階加遞歸調(diào)用棧分析

recSum（1）＝1為遞歸終止條件，函數(shù)返回并出棧，此時(shí)recSum（2）＝2＋1也為已知，recSum（2）函數(shù)返回并出棧，同理recSum（3），recSum（4）依次返回并出棧，此時(shí)棧空間為空，如圖5（b）所示。

由圖5可見，如果參數(shù)n足夠大，recSum（n）遞歸調(diào)用時(shí)可能發(fā)生棧溢出。此時(shí)應(yīng)該結(jié)束遞歸調(diào)用安全返回，并給出遞歸調(diào)用的最大深度提示。

用本文安全遞歸調(diào)用算法運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。圖6（a）是參數(shù)為300時(shí)程序運(yùn)行的部分結(jié)果，當(dāng)n逐層遞歸減到90時(shí)，剩余內(nèi)存為15 bytes，本次遞歸調(diào)用后剩余內(nèi)存已經(jīng)不能繼續(xù)進(jìn)行本次遞歸調(diào)用了，給出錯(cuò)誤提示，并給出根據(jù)本次計(jì)算得到的最大遞歸深度為211。圖6（b）為按提示的最大遞歸深度211，計(jì)算1＋2＋…＋211的結(jié)果為22 366，計(jì)算結(jié)果正確。

圖6 階加Arduino安全遞歸調(diào)用運(yùn)行結(jié)果

4.2 Arduino斐波那契數(shù)列遞歸實(shí)驗(yàn)

斐波那契數(shù)列又稱黃金分割數(shù)列、兔子數(shù)列，由數(shù)學(xué)家萊昂納多·斐波那契（Leonardoda Fibonacci）提出，具有很多有趣的性質(zhì)和應(yīng)用。其遞推公式可由下式表示：

與階加相比，斐波那契數(shù)列遞歸算法略顯復(fù)雜。主要的不同是，第n項(xiàng)的值不僅僅與第n－1項(xiàng)有關(guān)，還與第n－2項(xiàng)有關(guān)。其遞歸調(diào)用棧的入棧、出棧的關(guān)系也更為復(fù)雜。以4項(xiàng)斐波那契為例，對(duì)應(yīng)式（2）的遞歸調(diào)用的出棧入棧如圖7所示，更多項(xiàng)數(shù)的出棧入棧關(guān)系類似。

圖7（a）中為了求Fib（4），需要進(jìn)行遞歸調(diào)用，所以需要將參數(shù)n＝4及其函數(shù)返回地址入棧，同理當(dāng)n＝3，n＝2時(shí)繼續(xù)遞歸調(diào)用并將對(duì)應(yīng)參數(shù)和函數(shù)返回地址壓棧，因?yàn)镕ib（2）＝1為已知，可以直接返回，第1輪壓棧結(jié)束。圖7（b）中Fib（2）返回彈棧后Fib（3）＝1＋Fib（1），F(xiàn)ib（3）不能繼續(xù)彈棧，第1輪彈棧結(jié)束。圖7（c）、（d），圖7（e）、（f）分別進(jìn)行第2、第3輪入棧出棧，分析類似，不再贅述。

圖7 n為4時(shí)斐波那契遞歸調(diào)用棧分析

由圖7可以看出，如果參數(shù)n足夠大，在某輪入棧時(shí)，可能發(fā)生棧溢出，此時(shí)應(yīng)該結(jié)束遞歸調(diào)用返回，并給出遞歸調(diào)用的最大深度提示。

用本文安全遞歸調(diào)用算法運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。圖8（a）是參數(shù)為300時(shí)程序運(yùn)行的部分結(jié)果，當(dāng)n逐層遞歸減到161時(shí)，剩余內(nèi)存為23 bytes，本次遞歸調(diào)用后剩余內(nèi)存已經(jīng)不能繼續(xù)進(jìn)行本次遞歸調(diào)用了，給出錯(cuò)誤提示，并給出根據(jù)本次計(jì)算得到的最大遞歸深度為140。圖8（b）為按提示的最大遞歸深度140，遞歸調(diào)用正常。

圖8 斐波那契Arduino安全遞歸調(diào)用運(yùn)行結(jié)果

4.3 Arduino漢諾塔遞歸實(shí)驗(yàn)

漢諾塔問題是遞歸算法處理的經(jīng)典問題。其問題可以描述為：初始狀態(tài)下A座上有n個(gè)盤子，盤子大小不等，大的在下，小的在上。要求把這n個(gè)盤子從A座移到C座，但規(guī)定每次只允許移動(dòng)一個(gè)盤，且在移動(dòng)過程中在3個(gè)座上都始終保持大盤在下，小盤在上。在移動(dòng)過程中可以利用B座。

這是一個(gè)非數(shù)值解問題，也蘊(yùn)含著遞推關(guān)系，雖然不容易用遞推公式，但可用下面的流程圖來表達(dá)這種遞推關(guān)系。Hannoi（n，x，y，z）中n為盤子的數(shù)量，x、y、z為座子變量，取值可能為A、B、C座中的一個(gè)。表示將n個(gè)盤子從x座移動(dòng)到z座上，y座可以作為中轉(zhuǎn)。當(dāng)盤子的數(shù)量n＞1時(shí)，需要將n－1個(gè)盤子先從x座移到y(tǒng)座上（通過z座中轉(zhuǎn)），然后將x座上剩余的一個(gè)盤子移動(dòng)到z座上，最后將n－1個(gè)盤子從y座移到z座上（通過x座中轉(zhuǎn)）。如果n＝1，則滿足遞歸終止條件，直接將這1個(gè)盤子從x座移到z座上。

由圖9可見，漢諾塔的遞歸調(diào)用從n階到n－1階的過程中具有兩次遞歸調(diào)用，因此其入棧出棧也比較復(fù)雜，以3個(gè)盤子的漢諾塔遞歸調(diào)用為例，分析其入棧出棧關(guān)系如圖10所示。更多項(xiàng)數(shù)的出棧入棧關(guān)系類似。

圖9 漢諾塔遞歸調(diào)用算法

圖10 n為3時(shí)漢諾塔遞歸調(diào)用棧分析

用本文安全遞歸調(diào)用算法運(yùn)行結(jié)果如圖11所示。圖11（a）為參數(shù)為300時(shí)程序運(yùn)行的部分結(jié)果，當(dāng)n逐層遞歸減到148時(shí)，剩余內(nèi)存為16 bytes，本次遞歸調(diào)用后剩余內(nèi)存已經(jīng)不能繼續(xù)進(jìn)行本次遞歸調(diào)用了，給出錯(cuò)誤提示，并給出根據(jù)本次計(jì)算得到的最大遞歸深度為153。圖11（b）為按提示的最大遞歸深度153，遞歸調(diào)用正常。

圖11 漢諾塔Arduino安全遞歸調(diào)用運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié) 語

為了防止遞歸調(diào)用棧溢出帶來的災(zāi)難性后果，本文為Arduino遞歸調(diào)用設(shè)計(jì)了防溢出的遞歸調(diào)用算法。無論是在簡(jiǎn)單階乘（階加）遞歸調(diào)用，還是在相對(duì)復(fù)雜的斐波那契數(shù)列、漢諾塔遞歸調(diào)用中，算法都穩(wěn)定可靠。在Arduino實(shí)踐中，為安全遞歸調(diào)用提供了保障，為Arduino創(chuàng)新應(yīng)用提供更豐富的手段。