如何判斷棧的增加方向

時間 2019-11-10

標籤如何判斷增加方向简体版

原文原文鏈接

如何判斷棧的增加方向？

對於一個用慣了i386系列機器的人來講，這彷佛是一個無聊的問題，由於棧就是從高地址向低地址增加。不過，顯然這不是這個問題的目的，既然把這個問題拿出來，問的就不僅是i386系列的機器，跨硬件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，不然咱們堅定不會使用匯編去解決問題，而對於這種有系統編程味道的問題，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在哪裏會用到棧呢？稍微瞭解一點C的人都會馬上給出答案，沒錯，函數。咱們知道，局部變量都存在於棧之中。彷佛這個問題馬上就獲得瞭解答，用一個函數聲明兩個局部變量，而後比較兩個變量的地址，這樣就能夠獲得答案。

等一下，怎麼比較兩個變量的地址呢？

先聲明的先入棧，因此，它的第一個變量的地址若是是高的，那就是從上向下增加。「先聲明的先入棧」？這個結論從何而來？通常編譯器都會這麼處理。要是不通常呢？這種看似正確的方法其實是依賴於編譯器的，因此，可移植性受到了挑戰。

那就函數加個參數，比較參數和局部變量的位置，參數確定先入棧。那爲何不能局部變量先入棧？第一反應是怎麼可能，但仔細想來又沒有什麼不能夠。因此，這種方法也依賴於編譯器的實現。

那到底什麼纔不依賴於編譯器呢？

不妨回想一下，函數如何調用。執行一個函數時，這個函數的相關信息都會出現棧之中，好比參數、返回地址和局部變量。當它調用另外一個函數時，在它棧信息保持不變的狀況下，會把它調用那個函數的信息放到棧中。

彷佛發現了什麼，沒錯，兩個函數的相關信息位置是固定的，確定是先調用的函數其信息先入棧，後調用的函數其信息後入棧。那接下來，問題的答案就浮出了水面。

好比，設計兩個函數，一個做爲調用方，另外一個做爲被調用方。被調用方以一個地址（也就是指針）做爲本身的入口參數，調用方傳入的地址是本身的一個局部變量的地址，而後，被調用方比較這個地址和本身的一個局部變量地址，由此肯定棧的增加方向。

給出了一個解決方案以後，咱們再回過頭來看看爲何以前的作法問題出在哪。爲何一個函數解決不了這個問題。前面這個大概解釋了函數調用的過程，咱們提到，函數的相關信息會一塊兒送入棧，這些信息就包括了參數、返回地址和局部變量等等，在計算機的術語裏，有個說法叫棧幀，指的就是這些與一次函數調用相關的東西，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，因此，僅僅在一個棧幀內作比較，都會有對編譯器的依賴。就這個問題而言，參數和局部變量，甚至包括返回地址，都是相同的，由於它們在同一個棧幀內，它們之間的比較是不能解決這個問題的，而它們就是一個函數的全部相關信息，因此，一個函數很難解決這個問題。

好了，既然有了這個瞭解，顯然能夠擴展一下前面的解決方案，能夠兩個棧幀內任意的東西進行比較，好比，各自的入口參數，均可以肯定棧的增加方向。

狂想一下，會不會有編譯器每次專門留下些什麼，等下一個函數的棧幀入棧以後，在把這個留下的東西入棧呢？這卻是個破壞的好方法。若是哪位知道有這麼神奇的編譯器，不妨告訴我。咱們能夠把它的做者拉過來打一頓，想折磨死誰啊！html

#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：程序員

29f6ac
29f5c8
請按任意鍵繼續. . .編程

能夠看到，a>b;說明生長方向向上。電腦中棧的增加方向是由高地址向低地址方向增加的。數組

爲何棧向下增加？緩存

「這個問題與虛擬地址空間的分配規則有關，每個可執行C程序，從低地址到高地址依次是：text，data，bss，堆，棧，環境參數變量；其中堆和棧之間有很大的地址空間空閒着，在須要分配空間的時候，堆向上漲，棧往下漲。」數據結構

這樣設計可使得堆和棧可以充分利用空閒的地址空間。若是棧向上漲的話，咱們就必須得指定棧和堆的一個嚴格分界線，但這個分界線怎麼肯定呢？平均分？可是有的程序使用的堆空間比較多，而有的程序使用的棧空間比較多。因此就可能出現這種狀況：一個程序由於棧溢出而崩潰的時候，其實它還有大量閒置的堆空間呢，可是咱們卻沒法使用這些閒置的堆空間。因此呢，最好的辦法就是讓堆和棧一個向上漲，一個向下漲，這樣它們就能夠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！！模塊化

呵呵，其實當你明白這個原理的時候，你也會不禁地驚歎當時設計計算機的那些科學家驚人的聰明和智慧！！函數

（堆棧方向相反極小狀況會發生的問題，堆棧重疊）。優化

爲何要把堆和棧分開？spa

　爲何要把堆和棧區分出來呢？棧中不是也能夠存儲數據嗎？

第一，從軟件設計的角度看，棧表明了處理邏輯，而堆表明了數據。

這樣分開，使得處理邏輯更爲清晰。分而治之的思想。這種隔離、模塊化的思想在軟件設計的方方面面都有體現。

　　第二，堆與棧的分離，使得堆中的內容能夠被多個棧共享（也能夠理解爲多個線程訪問同一個對象）。這種共享的收益是不少的。一方面這種共享提供了一種有效的數據交互方式(如：共享內存)，另外一方面，堆中的共享常量和緩存能夠被全部棧訪問，節省了空間。

　　第三，棧由於運行時的須要，好比保存系統運行的上下文，須要進行地址段的劃分。因爲棧只能向上增加，所以就會限制住棧存儲內容的能力。而堆不一樣，堆中的對象是能夠根據須要動態增加的，所以棧和堆的拆分，使得動態增加成爲可能，相應棧中只需記錄堆中的一個地址便可。

　　第四，面向對象就是堆和棧的完美結合。其實，面向對象方式的程序與之前結構化的程序在執行上沒有任何區別。可是，面向對象的引入，使得對待問題的思考方式發生了改變，而更接近於天然方式的思考。當咱們把對象拆開，你會發現，對象的屬性其實就是數據，存放在堆中；而對象的行爲（方法），就是運行邏輯，放在棧中。咱們在編寫對象的時候，其實即編寫了數據結構，也編寫的處理數據的邏輯。不得不認可，面向對象的設計，確實很美。

遞歸溢出緣由：

1.遞歸層次太深。

2.人爲

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

堆棧溢出

　　如今咱們再執行一次，輸入ipxodiAAAAAAAAAAAAAAA,執行完gets(name)以後，因爲咱們輸入的name字符串太長，name數組容納不下，只好向內存頂部繼續寫‘A’。因爲堆棧的生長方向與內存的生長方向相反，這些‘A’覆蓋了堆棧的老的元素。咱們能夠發現，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做爲返回地址，CPU會試圖執行0x41414141處的指令，結果出現錯誤。這就是一次堆棧溢出。

　　三、如何利用堆棧溢出

　　咱們已經制造了一次堆棧溢出。其原理能夠歸納爲：因爲字符串處理函數(gets，strcpy等等)沒有對數組越界加以監視和限制，咱們利用字符數組寫越界，覆蓋堆棧中的老元素的值，就能夠修改返回地址。（更多：http://security.ctocio.com.cn/tips/485/7723985.shtml）。

堆(heap)和棧(stack)有什麼區別??

簡單的能夠理解爲：

heap：是由malloc之類函數分配的空間所在地。地址是由低向高增加的。

stack：是自動分配變量，以及函數調用的時候所使用的一些空間。地址是由高向低減小的。

預備知識—程序的內存分配

一個由c/C++編譯的程序佔用的內存分爲如下幾個部分

一、棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操做方式相似於數據結構中的棧。

二、堆區（heap） — 通常由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式卻是相似於鏈表，呵呵。

三、全局區（靜態區）（static）—，全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域，未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另外一塊區域。 - 程序結束後有系統釋放

四、文字常量區 —常量字符串就是放在這裏的。程序結束後由系統釋放

五、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。

2、例子程序

這是一個前輩寫的，很是詳細

//main.cpp

int a = 0; 全局初始化區

char *p1; 全局未初始化區

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；全局（靜態）初始化區

p1 = (char *)malloc(10);

p2 = (char *)malloc(20);

分配得來得10和20字節的區域就在堆區。

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。

}

2、堆和棧的理論知識

2.1申請方式

stack:

由系統自動分配。例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中爲b開闢空間

heap:

須要程序員本身申請，並指明大小，在c中malloc函數

如p1 = (char *)malloc(10);

在C++中用new運算符

如p2 = (char *)malloc(10);

可是注意p一、p2自己是在棧中的。

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，系統將爲程序提供內存，不然將報異常提示棧溢出。

堆：首先應該知道操做系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，

會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，而後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外，因爲找到的堆結點的大小不必定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分從新放入空閒鏈表中。

2.3申請大小的限制

棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。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肯定的常數），若是申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。所以，能從棧得到的空間較小。

堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是因爲系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，天然是不連續的，而鏈表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內存。因而可知，堆得到的空間比較靈活，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。但程序員是沒法控制的。

堆是由new分配的內存，通常速度比較慢，並且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.

另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。可是速度，也最靈活

2.5堆和棧中的存儲內容

棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，而後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，而後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。

當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，而後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。

堆：通常是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

2.6存取效率的比較

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";