c語言-堆和棧的生長方向
如何判斷棧的增長方向?
對於一個用慣了i386系列機器的人來說,這似乎是一個無聊的問題,因為棧就是從高地址向低地址增長。不過,顯然這不是這個問題的目的,既然把這個問題拿出來,問的就不只是i386系列的機器,跨硬體平臺是這個問題的首先要考慮到的因素。
在一個物質極大豐富的年代,除非無路可退,否則我們堅決不會使用匯編去解決問題,而對於這種有系統程式設計味道的問題,C是一個不錯的選擇。那接下來的問題就是如何用C去解決這個問題。
C在哪裡會用到棧呢?稍微瞭解一點C的人都會立刻給出答案,沒錯,函式。我們知道,區域性變數都存在於棧之中。似乎這個問題立刻就得到了解答,用一個函式宣告兩個區域性變數,然後比較兩個變數的地址,這樣就可以得到答案。
等一下,怎麼比較兩個變數的地址呢?
先宣告的先入棧,
那就函式加個引數,比較引數和區域性變數的位置,引數肯定先入棧。那為什麼不能區域性變數先入棧?第一反應是怎麼可能,但仔細想來又沒有什麼不可以。所以,這種方法也依賴於編譯器的實現。
那到底什麼才不依賴於編譯器呢?
不妨回想一下,函式如何呼叫。執行一個函式時,這個函式的相關資訊都會出現棧之中,比如引數、返回地址和區域性變數。當它呼叫另一個函式時,在它棧資訊保持不變的情況下,會把它呼叫那個函式的資訊放到棧中。
似乎發現了什麼,沒錯,兩個函式的相關資訊位置是固定的,肯定是先呼叫的函式其資訊先入棧,後呼叫的函式其資訊後入棧。那接下來,問題的答案就浮出了水面。
比如,設計兩個函式,一個作為呼叫方,另一個作為被呼叫方。被呼叫方以一個地址(也就是指標)作為自己的入口引數,呼叫方傳入的地址是自己的一個區域性變數的地址,然後,被呼叫方比較這個地址和自己的一個區域性變數地址,由此確定棧的增長方向。
給出了一個解決方案之後,我們再回過頭來看看為什麼之前的做法問題出在哪。為什麼一個函式解決不了這個問題。前面這個大概解釋了函式呼叫的過程,我們提到,函式的相關資訊會一起送入棧,這些資訊就包括了引數、返回地址和區域性變數等等,在計算機的術語裡,有個說法叫棧幀,指的就是這些與一次函式呼叫相關的東西,而在一個棧幀內的這些東西其相對順序是由編譯器決定的,所以,僅僅在一個棧幀內做比較,都會有對編譯器的依賴
好了,既然有了這個瞭解,顯然可以擴充套件一下前面的解決方案,可以兩個棧幀內任意的東西進行比較,比如,各自的入口引數,都可以確定棧的增長方向。
狂想一下,會不會有編譯器每次專門留下些什麼,等下一個函式的棧幀入棧之後,在把這個留下的東西入棧呢?這倒是個破壞的好方法。如果哪位知道有這麼神奇的編譯器,不妨告訴我。我們可以把它的作者拉過來打一頓,想折磨死誰啊!
#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(); }
結果:
29f6ac
29f5c8
請按任意鍵繼續. . .
可以看到,a>b;說明生長方向向上。電腦中棧的增長方向是由高地址向低地址方向增長的。
為什麼棧向下增長?
“這個問題與虛擬地址空間的分配規則有關,每一個可執行C程式,從低地址到高地址依次是:text,data,bss,堆,棧,環境引數變數;其中堆和棧之間有很大的地址空間空閒著,在需要分配空間的時候,堆向上漲,棧往下漲。”
這樣設計可以使得堆和棧能夠充分利用空閒的地址空間。如果棧向上漲的話,我們就必須得指定棧和堆的一個嚴格分界線,但這個分界線怎麼確定呢?平均分?但是有的程式使用的堆空間比較多,而有的程式使用的棧空間比較多。所以就可能出現這種情況:一個程式因為棧溢位而崩潰的時候,其實它還有大量閒置的堆空間呢,但是我們卻無法使用這些閒置的堆空間。所以呢,最好的辦法就是讓堆和棧一個向上漲,一個向下漲,這樣它們就可以最大程度地共用這塊剩餘的地址空間,達到利用率的最大化!!
呵呵,其實當你明白這個原理的時候,你也會不由地驚歎當時設計計算機的那些科學家驚人的聰明和智慧!!
(堆疊方向相反極小情況會發生的問題,堆疊重疊)。
為什麼要把堆和棧分開?
為什麼要把堆和棧區分出來呢?棧中不是也可以儲存資料嗎?
第一,從軟體設計的角度看,棧代表了處理邏輯,而堆代表了資料。
這樣分開,使得處理邏輯更為清晰。分而治之的思想。這種隔離、模組化的思想在軟體設計的方方面面都有體現。
第二,堆與棧的分離,使得堆中的內容可以被多個棧共享(也可以理解為多個執行緒訪問同一個物件)。這種共享的收益是很多的。一方面這種共享提供了一種有效的資料互動方式(如:共享記憶體),另一方面,堆中的共享常量和快取可以被所有棧訪問,節省了空間。
第三,棧因為執行時的需要,比如儲存系統執行的上下文,需要進行地址段的劃分。由於棧只能向上增長,因此就會限制住棧儲存內容的能力。而堆不同,堆中的物件是可以根據需要動態增長的,因此棧和堆的拆分,使得動態增長成為可能,相應棧中只需記錄堆中的一個地址即可。
第四,面向物件就是堆和棧的完美結合。其實,面向物件方式的程式與以前結構化的程式在執行上沒有任何區別。但是,面向物件的引入,使得對待問題的思考方式發生了改變,而更接近於自然方式的思考。當我們把物件拆開,你會發現,物件的屬性其實就是資料,存放在堆中;而物件的行為(方法),就是執行邏輯,放在棧中。我們在編寫物件的時候,其實即編寫了資料結構,也編寫的處理資料的邏輯。不得不承認,面向物件的設計,確實很美。
遞迴溢位原因:
1.遞迴層次太深。
2.人為
#include int main ( ) { char name[8]; printf("Please type your name: "); gets(name); printf("Hello, %s!", name); return 0; }
堆疊溢位
現在我們再執行一次,輸入ipxodiAAAAAAAAAAAAAAA,執行完gets(name)之後,由於我們輸入的name字串太長,name陣列容納不下,只好向記憶體頂部繼續寫‘A’。由於堆疊的生長方向與記憶體的生長方向相反,這些‘A’覆蓋了堆疊的老的元素。 我們可以發現,EBP,ret都已經被‘A’覆蓋了。在main返回的時候,就會把‘AAAA’的ASCII碼:0x41414141作為返回地址,CPU會試圖執行0x41414141處的指令,結果出現錯誤。這就是一次堆疊溢位。
3、如何利用堆疊溢位
我們已經制造了一次堆疊溢位。其原理可以概括為:由於字串處理函式(gets,strcpy等等)沒有對陣列越界加以監視和限制,我們利用字元陣列寫越界,覆蓋堆疊中的老元素的值,就可以修改返回地址。(更多:http://security.ctocio.com.cn/tips/485/7723985.shtml)。
堆(heap)和棧(stack)有什麼區別??
簡單的可以理解為:
heap:是由malloc之類函式分配的空間所在地。地址是由低向高增長的。
stack:是自動分配變數,以及函式呼叫的時候所使用的一些空間。地址是由高向低減少的。
預備知識—程式的記憶體分配
一個由c/C++編譯的程式佔用的記憶體分為以下幾個部分
1、棧區(stack)— 由編譯器自動分配釋放 ,存放函式的引數值,區域性變數的值等。其操作方式類似於資料結構中的棧。
2、堆區(heap) — 一般由程式設計師分配釋放, 若程式設計師不釋放,程式結束時可能由OS回收 。注意它與資料結構中的堆是兩回事,分配方式倒是類似於連結串列,呵呵。
3、全域性區(靜態區)(static)—,全域性變數和靜態變數的儲存是放在一塊的,初始化的全域性變數和靜態變數在一塊區域, 未初始化的全域性變數和未初始化的靜態變數在相鄰的另一塊區域。 - 程式結束後有系統釋放
4、文字常量區 —常量字串就是放在這裡的。 程式結束後由系統釋放
5、程式程式碼區—存放函式體的二進位制程式碼。
二、例子程式
這是一個前輩寫的,非常詳細
//main.cpp
int a = 0; 全域性初始化區
char *p1; 全域性未初始化區
main()
{
int b; 棧
char s[] = "abc"; 棧
char *p2; 棧
char *p3 = "123456"; 123456在常量區,p3在棧上。
static int c =0; 全域性(靜態)初始化區
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);
分配得來得10和20位元組的區域就在堆區。
strcpy(p1, "123456"); 123456放在常量區,編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。
}
二、堆和棧的理論知識
2.1申請方式
stack:
由系統自動分配。 例如,宣告在函式中一個區域性變數 int b; 系統自動在棧中為b開闢空間
heap:
需要程式設計師自己申請,並指明大小,在c中malloc函式
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算子
如p2 = (char *)malloc(10);
但是注意p1、p2本身是在棧中的。
2.2
申請後系統的響應
棧:只要棧的剩餘空間大於所申請空間,系統將為程式提供記憶體,否則將報異常提示棧溢位。
堆:首先應該知道作業系統有一個記錄空閒記憶體地址的連結串列,當系統收到程式的申請時,
會遍歷該連結串列,尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點,然後將該結點從空閒結點連結串列中刪除,並將該結點的空間分配給程式,另外,對於大多數系統,會在這塊記憶體空間中的首地址處記錄本次分配的大小,這樣,程式碼中的delete語句才能正確的釋放本記憶體空間。另外,由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大小,系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒連結串列中。
2.3申請大小的限制
棧:在Windows下,棧是向低地址擴充套件的資料結構,是一塊連續的記憶體的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的,在 WINDOWS下,棧的大小是2M(也有的說是1M,總之是一個編譯時就確定的常數),如果申請的空間超過棧的剩餘空間時,將提示overflow。因此,能從棧獲得的空間較小。
堆:堆是向高地址擴充套件的資料結構,是不連續的記憶體區域。這是由於系統是用連結串列來儲存的空閒記憶體地址的,自然是不連續的,而連結串列的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬記憶體。由此可見,堆獲得的空間比較靈活,也比較大。
2.4申請效率的比較:
棧由系統自動分配,速度較快。但程式設計師是無法控制的。
堆是由new分配的記憶體,一般速度比較慢,而且容易產生記憶體碎片,不過用起來最方便.
另外,在WINDOWS下,最好的方式是用VirtualAlloc分配記憶體,他不是在堆,也不是在棧是直接在程序的地址空間中保留一快記憶體,雖然用起來最不方便。但是速度, 也最靈活
2.5堆和棧中的儲存內容
棧: 在函式呼叫時,第一個進棧的是主函式中後的下一條指令(函式呼叫語句的下一條可執行語句)的地址,然後是函式的各個引數,在大多數的C編譯器中,引數是由右往左入棧的,然後是函式中的區域性變數。注意靜態變數是不入棧的。
當本次函式呼叫結束後,區域性變數先出棧,然後是引數,最後棧頂指標指向最開始存的地址,也就是主函式中的下一條指令,程式由該點繼續執行。
堆:一般是在堆的頭部用一個位元組存放堆的大小。堆中的具體內容有程式設計師安排。
2.6存取效率的比較
char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在執行時刻賦值的;
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的;
但是,在以後的存取中,在棧上的陣列比指標所指向的字串(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;
}
對應的彙編程式碼
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
第一種在讀取時直接就把字串中的元素讀到暫存器cl中,而第二種則要先把指edx中,在根據edx讀取字元,顯然慢了。
?
2.7小結:
堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出:
使用棧就象我們去飯館裡吃飯,只管點菜(發出申請)、付錢、和吃(使用),吃飽了就走,不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作,他的好處是快捷,但是自由度小。
使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚,比較麻煩,但是比較符合自己的口味,而且自由度大。
堆和棧的區別主要分:
作業系統方面的堆和棧,如上面說的那些,不多說了。
還有就是資料結構方面的堆和棧,這些都是不同的概念。這裡的堆實際上指的就是(滿足堆性質的)優先佇列的一種資料結構,第1個元素有最高的優先權;棧實際上就是滿足先進後出的性質的數學或資料結構。
雖然堆疊,堆疊的說法是連起來叫,但是他們還是有很大區別的,連著叫只是由於歷史的原因針值讀
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