代码改变世界

判断栈和堆的生长方向

2013-09-10 20:36 by youxin, ... 阅读, ... 评论, 收藏, 编辑

如何判断栈的增长方向?

对于一个用惯了i386系列机器的人来说,这似乎是一个无聊的问题,因为栈就是从高地址向低地址增长。不过,显然这不是这个问题的目的,既然把这个问题拿出来,问的就不只是i386系列的机器,跨硬件平台是这个问题的首先要考虑到的因素。

在一个物质极大丰富的年代,除非无路可退,否则我们坚决不会使用汇编去解决问题,而对于这种有系统编程味道的问题,C是一个不错的选择。那接下来的问题就是如何用C去解决这个问题。

C在哪里会用到栈呢?稍微了解一点C的人都会立刻给出答案,没错,函数。我们知道,局部变量都存在于栈之中。似乎这个问题立刻就得到了解答,用一个函数声明两个局部变量,然后比较两个变量的地址,这样就可以得到答案。

等一下,怎么比较两个变量的地址呢?

先声明的先入栈,所以,它的第一个变量的地址如果是高的,那就是从上向下增长。“先声明的先入栈”?这个结论从何而来?一般编译器都会这么处理。要是不一般呢?这种看似正确的方法实际上是依赖于编译器的,所以,可移植性受到了挑战。

那就函数加个参数,比较参数和局部变量的位置,参数肯定先入栈。那为什么不能局部变量先入栈?第一反应是怎么可能,但仔细想来又没有什么不可以。所以,这种方法也依赖于编译器的实现。

那到底什么才不依赖于编译器呢?

不妨回想一下,函数如何调用。执行一个函数时,这个函数的相关信息都会出现栈之中,比如参数、返回地址和局部变量。当它调用另一个函数时,在它栈信息保持不变的情况下,会把它调用那个函数的信息放到栈中。

似乎发现了什么,没错,两个函数的相关信息位置是固定的,肯定是先调用的函数其信息先入栈,后调用的函数其信息后入栈。那接下来,问题的答案就浮出了水面。

比如,设计两个函数,一个作为调用方,另一个作为被调用方。被调用方以一个地址(也就是指针)作为自己的入口参数,调用方传入的地址是自己的一个局部变量的地址,然后,被调用方比较这个地址和自己的一个局部变量地址,由此确定栈的增长方向。

给出了一个解决方案之后,我们再回过头来看看为什么之前的做法问题出在哪。为什么一个函数解决不了这个问题。前面这个大概解释了函数调用的过程,我们提到,函数的相关信息会一起送入栈,这些信息就包括了参数、返回地址和局部变量等等,在计算机的术语里,有个说法叫栈帧,指的就是这些与一次函数调用相关的东西,而在一个栈帧内的这些东西其相对顺序是由编译器决定的,所以,仅仅在一个栈帧内做比较,都会有对编译器的依赖。就这个问题而言,参数和局部变量,甚至包括返回地址,都是相同的,因为它们在同一个栈帧内,它们之间的比较是不能解决这个问题的,而它们就是一个函数的所有相关信息,所以,一个函数很难解决这个问题。

好了,既然有了这个了解,显然可以扩展一下前面的解决方案,可以两个栈帧内任意的东西进行比较,比如,各自的入口参数,都可以确定栈的增长方向。

狂想一下,会不会有编译器每次专门留下些什么,等下一个函数的栈帧入栈之后,在把这个留下的东西入栈呢?这倒是个破坏的好方法。如果哪位知道有这么神奇的编译器,不妨告诉我。我们可以把它的作者拉过来打一顿,想折磨死谁啊!

 

#include<stdio.h>

void func1();
void func2(int *a);

void func1()
{
    int a=0;
    func2(&a);
}
void func2(int *a)
{
    int b=0;
    printf("%x\n%x\n",a,&b);
}


int main()
{
    func1();
}

结果:

29f6ac
29f5c8
请按任意键继续. . .

可以看到,a>b;说明生长方向向上。电脑中栈的增长方向是由高地址向低地址方向增长的。

 

为什么栈向下增长?

“这个问题与虚拟地址空间的分配规则有关,每一个可执行C程序,从低地址到高地址依次是:text,data,bss,堆,栈,环境参数变量;其中堆和栈之间有很大的地址空间空闲着,在需要分配空间的时候,堆向上涨,栈往下涨。”

这样设计可以使得堆和栈能够充分利用空闲的地址空间。如果栈向上涨的话,我们就必须得指定栈和堆的一个严格分界线,但这个分界线怎么确定呢?平均分?但是有的程序使用的堆空间比较多,而有的程序使用的栈空间比较多。所以就可能出现这种情况:一个程序因为栈溢出而崩溃的时候,其实它还有大量闲置的堆空间呢,但是我们却无法使用这些闲置的堆空间。所以呢,最好的办法就是让堆和栈一个向上涨,一个向下涨,这样它们就可以最大程度地共用这块剩余的地址空间,达到利用率的最大化!

呵呵,其实当你明白这个原理的时候,你也会不由地惊叹当时设计计算机的那些科学家惊人的聪明和智慧!!

(堆栈方向相反极小情况会发生的问题,堆栈重叠)。

 

为什么要把堆和栈分开?

 为什么要把堆和栈区分出来呢?栈中不是也可以存储数据吗?

      第一,从软件设计的角度看,栈代表了处理逻辑,而堆代表了数据。

      这样分开,使得处理逻辑更为清晰。分而治之的思想。这种隔离、模块化的思想在软件设计的方方面面都有体现。

  第二,堆与栈的分离,使得堆中的内容可以被多个栈共享(也可以理解为多个线程访问同一个对象)。这种共享的收益是很多的。一方面这种共享提供了一种有效的数据交互方式(如:共享内存),另一方面,堆中的共享常量和缓存可以被所有栈访问,节省了空间。

  第三,栈因为运行时的需要,比如保存系统运行的上下文,需要进行地址段的划分。由于栈只能向上增长,因此就会限制住栈存储内容的能力。而堆不同,堆中的对象是可以根据需要动态增长的,因此栈和堆的拆分,使得动态增长成为可能,相应栈中只需记录堆中的一个地址即可。

  第四,面向对象就是堆和栈的完美结合。其实,面向对象方式的程序与以前结构化的程序在执行上没有任何区别。但是,面向对象的引入,使得对待问题的思考方式发生了改变,而更接近于自然方式的思考。当我们把对象拆开,你会发现,对象的属性其实就是数据,存放在堆中;而对象的行为(方法),就是运行逻辑,放在栈中。我们在编写对象的时候,其实即编写了数据结构,也编写的处理数据的逻辑。不得不承认,面向对象的设计,确实很美。

 

递归溢出原因:

1.递归层次太深。

2.人为

   #include  
  int main ( ) 
  { 
  char name[8]; 
  printf("Please type your name: "); 
  gets(name); 
  printf("Hello, %s!", name); 
  return 0; 
  }

 

堆栈溢出

  现在我们再执行一次,输入ipxodiAAAAAAAAAAAAAAA,执行完gets(name)之后,由于我们输入的name字符串太长,name数组容纳不下,只好向内存顶部继续写‘A’。由于堆栈的生长方向与内存的生长方向相反,这些‘A’覆盖了堆栈的老的元素。 我们可以发现,EBP,ret都已经被‘A’覆盖了。在main返回的时候,就会把‘AAAA’的ASCII码:0x41414141作为返回地址,CPU会试图执行0x41414141处的指令,结果出现错误。这就是一次堆栈溢出

  3、如何利用堆栈溢出

  我们已经制造了一次堆栈溢出。其原理可以概括为:由于字符串处理函数(gets,strcpy等等)没有对数组越界加以监视和限制,我们利用字符数组写越界,覆盖堆栈中的老元素的值,就可以修改返回地址。(更多:http://security.ctocio.com.cn/tips/485/7723985.shtml)。

 

 

堆(heap)和栈(stack)有什么区别??

 

简单的可以理解为:

heap:是由malloc之类函数分配的空间所在地。地址是由低向高增长的。

stack:是自动分配变量,以及函数调用的时候所使用的一些空间。地址是由高向低减少的。

 

预备知识—程序的内存分配

 

一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、栈区(stack)— 由编译器自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。

2、堆区(heap) — 一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表,呵呵。

3、全局区(静态区)(static)—,全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域, 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后有系统释放

4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放

5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。

 

二、例子程序

这是一个前辈写的,非常详细

//main.cpp

int a = 0; 全局初始化区

char *p1; 全局未初始化区

main()

{

int b; 栈

char s[] = "abc"; 栈

char *p2; 栈

char *p3 = "123456"; 123456在常量区,p3在栈上。

static int c =0; 全局(静态)初始化区

p1 = (char *)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20);

分配得来得10和20字节的区域就在堆区。

strcpy(p1, "123456"); 123456放在常量区,编译器可能会将它与p3所指向的"123456"优化成一个地方。

}

 

 

二、堆和栈的理论知识

2.1申请方式

stack:

由系统自动分配。 例如,声明在函数中一个局部变量 int b; 系统自动在栈中为b开辟空间

heap:

需要程序员自己申请,并指明大小,在c中malloc函数

如p1 = (char *)malloc(10);

在C++中用new运算符

如p2 = (char *)malloc(10);

但是注意p1、p2本身是在栈中的。

2.2

申请后系统的响应

栈:只要栈的剩余空间大于所申请空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈溢出。

堆:首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时,

会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后将该结点从空闲结点链表中删除,并将该结点的空间分配给程序,另外,对于大多数系统,会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小,这样,代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外,由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小,系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

2.3申请大小的限制

栈:在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构,是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的,在 WINDOWS下,栈的大小是2M(也有的说是1M,总之是一个编译时就确定的常数),如果申请的空间超过栈的剩余空间时,将提示overflow。因此,能从栈获得的空间较小。

堆:堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大。

2.4申请效率的比较:

栈由系统自动分配,速度较快。但程序员是无法控制的。

堆是由new分配的内存,一般速度比较慢,而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.

另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配内存,他不是在堆,也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存,虽然用起来最不方便。但是速度, 也最灵活

2.5堆和栈中的存储内容

栈: 在函数调用时,第一个进栈的是主函数中后的下一条指令(函数调用语句的下一条可执行语句)的地址,然后是函数的各个参数,在大多数的C编译器中,参数是由右往左入栈的,然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。

当本次函数调用结束后,局部变量先出栈,然后是参数,最后栈顶指针指向最开始存的地址,也就是主函数中的下一条指令,程序由该点继续运行。

堆:一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

2.6存取效率的比较

 

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的;

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的;

但是,在以后的存取中,在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

比如:

#include

void main()

{

char a = 1;

char c[] = "1234567890";

char *p ="1234567890";

a = c[1];

a = p[1];

return;

}

对应的汇编代码

10: a = c[1];

00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]

0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl

11: a = p[1];

0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]

00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]

00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中,而第二种则要先把指edx中,在根据edx读取字符,显然慢了。

?

 

2.7小结:

堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出:

使用栈就象我们去饭馆里吃饭,只管点菜(发出申请)、付钱、和吃(使用),吃饱了就走,不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作,他的好处是快捷,但是自由度小。

使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴,比较麻烦,但是比较符合自己的口味,而且自由度大。

 

堆和栈的区别主要分:

操作系统方面的堆和栈,如上面说的那些,不多说了。

还有就是数据结构方面的堆和栈,这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是(满足堆性质的)优先队列的一种数据结构,第1个元素有最高的优先权;栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。

虽然堆栈,堆栈的说法是连起来叫,但是他们还是有很大区别的,连着叫只是由于历史的原因针值读