關于堆棧最經(jīng)典的講解

一、預備知識—程序的內存分配

一個由c/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分

1、棧區(qū)（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結構中的棧。

2、堆區(qū)（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數(shù)據(jù)結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表。

3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。- 程序結束后有系統(tǒng)釋放

4、文字常量區(qū)—常量字符串就是放在這里的。程序結束后由系統(tǒng)釋放。

5、程序代碼區(qū)—存放函數(shù)體的二進制代碼。

二、例子程序

這是一個前輩寫的，非常詳細

//main.cpp

int a = 0; //全局初始化區(qū)

int a = 0; //全局初始化區(qū)

char *p1; //全局未初始化區(qū)

main（） {

int b; //棧

char s［］ = “abc”; //棧

char *p2; //棧

char *p3 = “123456”; //123456在常量區(qū)，p3在棧上。

static int c = 0; //全局（靜態(tài)）初始化區(qū)

p1 = （char *）malloc（10）;

p2 = （char *）malloc（20）;

//分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。

strcpy（p1， “123456”）; //123456放在常量區(qū)，編譯器可能會將它與p3所指向的“123456”優(yōu)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(tǒng)自動分配。例如，聲明在函數(shù)中一個局部變量 int b; 系統(tǒng)自動在棧中為b開辟空間

heap：

需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數(shù)

如p1 = （char *）malloc（10）;

在C++中用new運算符

如p2 = （char *）malloc（10）;

但是注意p1、p2本身是在棧中的。

2.2 申請后系統(tǒng)的響應

棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。

堆：首先應該知道操作系統(tǒng)有一個記錄空閑內存地址的鏈表，當系統(tǒng)收到程序的申請時，

會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數(shù)系統(tǒng)，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，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統(tǒng)會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

2.3 申請大小的限制

棧：在Windows下，棧是向低地址擴展的數(shù)據(jù)結構，是一塊連續(xù)的內存的區(qū)域。這句話的意思是棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預先規(guī)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(shù)），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高地址擴展的數(shù)據(jù)結構，是不連續(xù)的內存區(qū)域。這是由于系統(tǒng)是用鏈表來存儲的空閑內存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統(tǒng)中有效的虛擬內存。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(tǒng)自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)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。但是速度快，也最靈活。

2.5 堆和棧中的存儲內容

棧：在函數(shù)調用時，第一個進棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。

當本次函數(shù)調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點繼續(xù)運行。

堆：一般是在堆的頭部用一個字節(jié)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”;

aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；

而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；

但是，在以后的存取中，在棧上的數(shù)組比指針所指向的字符串（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;

}

對應的匯編代碼

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符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，在根據(jù)edx讀取字符，顯然慢了。

2.7小結：

堆和棧的區(qū)別可以用如下的比喻來看出：

使用棧就象我們去飯館里吃飯，只管點菜（發(fā)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肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

三 、windows進程中的內存結構

在閱讀本文之前，如果你連堆棧是什么多不知道的話，請先閱讀文章后面的基礎知識。

接觸過編程的人都知道，高級語言都能通過變量名來訪問內存中的數(shù)據(jù)。那么這些變量在內存中是如何存放的呢？程序又是如何使用這些變量的呢？下面就會對此進行深入的討論。下文中的C語言代碼如沒有特別聲明，默認都使用VC編譯的release版。

首先，來了解一下 C 語言的變量是如何在內存分部的。C 語言有全局變量（Global）、本地變量（Local），靜態(tài)變量（Static）、寄存器變量（Regeister）。每種變量都有不同的分配方式。先來看下面這段代碼：

＃include 《stdio.h》

int g1=0， g2=0， g3=0;

int main（）

{

static int s1=0， s2=0， s3=0;

int v1=0， v2=0， v3=0;

//打印出各個變量的內存地址

printf（“0x%08x

”，&v1）; //打印各本地變量的內存地址

printf（“0x%08x

”，&v2）;

printf（“0x%08x

”，&v3）;

printf（“0x%08x

”，&g1）; //打印各全局變量的內存地址

printf（“0x%08x

”，&g2）;

printf（“0x%08x

”，&g3）;

printf（“0x%08x

”，&s1）; //打印各靜態(tài)變量的內存地址

printf（“0x%08x

”，&s2）;

printf（“0x%08x

”，&s3）;

return 0;

}

編譯后的執(zhí)行結果是：

0x0012ff78

0x0012ff7c

0x0012ff80

0x004068d0

0x004068d4

0x004068d8

0x004068dc

0x004068e0

0x004068e4

輸出的結果就是變量的內存地址。其中v1，v2，v3是本地變量，g1，g2，g3是全局變量，s1，s2，s3是靜態(tài)變量。你可以看到這些變量在內存是連續(xù)分布的，但是本地變量和全局變量分配的內存地址差了十萬八千里，而全局變量和靜態(tài)變量分配的內存是連續(xù)的。這是因為本地變量和全局/靜態(tài)變量是分配在不同類型的內存區(qū)域中的結果。對于一個進程的內存空間而言，可以在邏輯上分成3個部份：代碼區(qū)，靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)和動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)一般就是“堆棧”。“棧（stack）”和“堆（heap）”是兩種不同的動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，棧是一種線性結構，堆是一種鏈式結構。進程的每個線程都有私有的“棧”，所以每個線程雖然代碼一樣，但本地變量的數(shù)據(jù)都是互不干擾。一個堆?？梢酝ㄟ^“基地址”和“棧頂”地址來描述。全局變量和靜態(tài)變量分配在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，本地變量分配在動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，即堆棧中。程序通過堆棧的基地址和偏移量來訪問本地變量。

├———————┤低端內存區(qū)域

│ …… │

├———————┤

│ 動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū) │

├———————┤

│ …… │

├———————┤

│ 代碼區(qū) │

├———————┤

│ 靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū) │

├———————┤

│ …… │

├———————┤高端內存區(qū)域

堆棧是一個先進后出的數(shù)據(jù)結構，棧頂?shù)刂房偸切∮诘扔跅５幕刂?。我們可以先了解一下函?shù)調用的過程，以便對堆棧在程序中的作用有更深入的了解。不同的語言有不同的函數(shù)調用規(guī)定，這些因素有參數(shù)的壓入規(guī)則和堆棧的平衡。windows API的調用規(guī)則和ANSI C的函數(shù)調用規(guī)則是不一樣的，前者由被調函數(shù)調整堆棧，后者由調用者調整堆棧。兩者通過“__stdcall”和“__cdecl”前綴區(qū)分。先看下面這段代碼：

＃include 《stdio.h》

void __stdcall func（int param1，int param2，int param3）

{

int var1=param1;

int var2=param2;

int var3=param3;

printf（“0x%08x

”，param1）; //打印出各個變量的內存地址

printf（“0x%08x

”，param2）;

printf（“0x%08x

”，param3）;

printf（“0x%08x

”，&var1）;

printf（“0x%08x

”，&var2）;

printf（“0x%08x

”，&var3）;

return;

}

int main（） {

func（1，2，3）;

return 0;

}

編譯后的執(zhí)行結果是：

0x0012ff78

0x0012ff7c

0x0012ff80

0x0012ff68

0x0012ff6c

0x0012ff70

├———————┤《—函數(shù)執(zhí)行時的棧頂（ESP）、低端內存區(qū)域

│ …… │

├———————┤

│ var 1 │

├———————┤

│ var 2 │

├———————┤

│ var 3 │

├———————┤

│ RET │

├———————┤《—“__cdecl”函數(shù)返回后的棧頂（ESP）

│ parameter 1 │

├———————┤

│ parameter 2 │

├———————┤

│ parameter 3 │

├———————┤《—“__stdcall”函數(shù)返回后的棧頂（ESP）

│ …… │

├———————┤《—棧底（基地址 EBP）、高端內存區(qū)域

上圖就是函數(shù)調用過程中堆棧的樣子了。首先，三個參數(shù)以從右到左的次序壓入堆棧，先壓“param3”，再壓“param2”，最后壓入“param1”；然后壓入函數(shù)的返回地址（RET），接著跳轉到函數(shù)地址接著執(zhí)行（這里要補充一點，介紹UNIX下的緩沖溢出原理的文章中都提到在壓入RET后，繼續(xù)壓入當前EBP，然后用當前ESP代替EBP。然而，有一篇介紹windows下函數(shù)調用的文章中說，在windows下的函數(shù)調用也有這一步驟，但根據(jù)我的實際調試，并未發(fā)現(xiàn)這一步，這還可以從param3和var1之間只有4字節(jié)的間隙這點看出來）；第三步，將棧頂（ESP）減去一個數(shù)，為本地變量分配內存空間，上例中是減去12字節(jié)（ESP=ESP-3*4，每個int變量占用4個字節(jié)）；接著就初始化本地變量的內存空間。由于“__stdcall”調用由被調函數(shù)調整堆棧，所以在函數(shù)返回前要恢復堆棧，先回收本地變量占用的內存（ESP=ESP+3*4），然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前壓入?yún)?shù)占用的內存（ESP=ESP+3*4），繼續(xù)執(zhí)行調用者的代碼。參見下列匯編代碼：

;--------------func 函數(shù)的匯編代碼-------------------

：00401000 83EC0C sub esp， 0000000C //創(chuàng)建本地變量的內存空間

：00401003 8B442410 mov eax， dword ptr ［esp+10］

：00401007 8B4C2414 mov ecx， dword ptr ［esp+14］

：0040100B 8B542418 mov edx， dword ptr ［esp+18］

：0040100F 89442400 mov dword ptr ［esp］， eax

：00401013 8D442410 lea eax， dword ptr ［esp+10］

：00401017 894C2404 mov dword ptr ［esp+04］， ecx

……………………（省略若干代碼）

：00401075 83C43C add esp， 0000003C ;恢復堆棧，回收本地變量的內存空間

：00401078 C3 ret 000C ;函數(shù)返回，恢復參數(shù)占用的內存空間

;如果是“__cdecl”的話，這里是“ret”，堆棧將由調用者恢復

;-------------------函數(shù)結束-------------------------

;--------------主程序調用func函數(shù)的代碼--------------

：00401080 6A03 push 00000003 //壓入?yún)?shù)param3

：00401082 6A02 push 00000002 //壓入?yún)?shù)param2

：00401084 6A01 push 00000001 //壓入?yún)?shù)param1

：00401086 E875FFFFFF call 00401000 //調用func函數(shù)

;如果是“__cdecl”的話，將在這里恢復堆棧，“add esp， 0000000C”

聰明的讀者看到這里，差不多就明白緩沖溢出的原理了。先來看下面的代碼：

＃include 《stdio.h》

＃include 《string.h》

void __stdcall func（） {

char lpBuff［8］=“”;

strcat（lpBuff，“AAAAAAAAAAA”）;

return;

}

int main（） {

func（）;

return 0;

}

編譯后執(zhí)行一下回怎么樣？哈，“”0x00414141”指令引用的”0x00000000”內存。該內存不能為”read”?！?，“非法操作”嘍！”41”就是”A”的16進制的ASCII碼了，那明顯就是strcat這句出的問題了?！眑pBuff”的大小只有8字節(jié)，算進結尾的，那strcat最多只能寫入7個”A”，但程序實際寫入了11個”A”外加1個。再來看看上面那幅圖，多出來的4個字節(jié)正好覆蓋了RET的所在的內存空間，導致函數(shù)返回到一個錯誤的內存地址，執(zhí)行了錯誤的指令。如果能精心構造這個字符串，使它分成三部分，前一部份僅僅是填充的無意義數(shù)據(jù)以達到溢出的目的，接著是一個覆蓋RET的數(shù)據(jù)，緊接著是一段shellcode，那只要這個RET地址能指向這段shellcode的第一個指令，那函數(shù)返回時就能執(zhí)行shellcode了。但是軟件的不同版本和不同的運行環(huán)境都可能影響這段shellcode在內存中的位置，那么要構造這個RET是十分困難的。一般都在RET和shellcode之間填充大量的NOP指令，使得exploit有更強的通用性。

├———————┤《—低端內存區(qū)域

│ …… │

├———————┤《—由exploit填入數(shù)據(jù)的開始

│ │

│ buffer │《—填入無用的數(shù)據(jù)

│ │

├———————┤

│ RET │《—指向shellcode，或NOP指令的范圍

├———————┤

│ NOP │

│ …… │《—填入的NOP指令，是RET可指向的范圍

│ NOP │

├———————┤

│ │

│ shellcode │

│ │

├———————┤《—由exploit填入數(shù)據(jù)的結束

│ …… │

├———————┤《—高端內存區(qū)域

windows下的動態(tài)數(shù)據(jù)除了可存放在棧中，還可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可以使用new關鍵字來動態(tài)分配內存。來看下面的C++代碼：

＃include 《stdio.h》

＃include 《iostream.h》

＃include 《windows.h》

void func（）

{

char *buffer=new char［128］;

char bufflocal［128］;

static char buffstatic［128］;

printf（“0x%08x

”，buffer）; //打印堆中變量的內存地址

printf（“0x%08x

”，bufflocal）; //打印本地變量的內存地址

printf（“0x%08x

”，buffstatic）; //打印靜態(tài)變量的內存地址

}

void main（） {

func（）;

return;

}

程序執(zhí)行結果為：

0x004107d0

0x0012ff04

0x004068c0

可以發(fā)現(xiàn)用new關鍵字分配的內存即不在棧中，也不在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。VC編譯器是通過windows下的“堆（heap）”來實現(xiàn)new關鍵字的內存動態(tài)分配。在講“堆”之前，先來了解一下和“堆”有關的幾個API函數(shù)：

- HeapAlloc 在堆中申請內存空間

- HeapCreate 創(chuàng)建一個新的堆對象

- HeapDestroy 銷毀一個堆對象

- HeapFree 釋放申請的內存

- HeapWalk 枚舉堆對象的所有內存塊

- GetProcessHeap 取得進程的默認堆對象

- GetProcessHeaps 取得進程所有的堆對象

- LocalAlloc

- GlobalAlloc

當進程初始化時，系統(tǒng)會自動為進程創(chuàng)建一個默認堆，這個堆默認所占內存的大小為1M。堆對象由系統(tǒng)進行管理，它在內存中以鏈式結構存在。通過下面的代碼可以通過堆動態(tài)申請內存空間：

HANDLE hHeap=GetProcessHeap（）;

char *buff=HeapAlloc（hHeap，0，8）;

其中hHeap是堆對象的句柄，buff是指向申請的內存空間的地址。那這個hHeap究竟是什么呢？它的值有什么意義嗎？看看下面這段代碼吧：

#pragma comment（linker，“/entry:main”） //定義程序的入口

＃include 《windows.h》

_CRTIMP int （__cdecl *printf）（const char *， 。。。）; //定義STL函數(shù)printf

/*---------------------------------------------------------------------------

寫到這里，我們順便來復習一下前面所講的知識：

（*注）printf函數(shù)是C語言的標準函數(shù)庫中函數(shù)，VC的標準函數(shù)庫由msvcrt.dll模塊實現(xiàn)。

由函數(shù)定義可見，printf的參數(shù)個數(shù)是可變的，函數(shù)內部無法預先知道調用者壓入的參數(shù)個數(shù)，函數(shù)只能通過分析第一個參數(shù)字符串的格式來獲得壓入?yún)?shù)的信息，由于這里參數(shù)的個數(shù)是動態(tài)的，所以必須由調用者來平衡堆棧，這里便使用了__cdecl調用規(guī)則。BTW，Windows系統(tǒng)的API函數(shù)基本上是__stdcall調用形式，只有一個API例外，那就是wsprintf，它使用__cdecl調用規(guī)則，同printf函數(shù)一樣，這是由于它的參數(shù)個數(shù)是可變的緣故。

---------------------------------------------------------------------------*/

void main（）

{

HANDLE hHeap=GetProcessHeap（）;

char *buff=HeapAlloc（hHeap，0，0x10）;

char *buff2=HeapAlloc（hHeap，0，0x10）;

HMODULE hMsvcrt=LoadLibrary（“msvcrt.dll”）;

printf=（void *）GetProcAddress（hMsvcrt，“printf”）;

printf（“0x%08x

”，hHeap）;

printf（“0x%08x

”，buff）;

printf（“0x%08x

”，buff2）;

}

執(zhí)行結果為：

0x00130000

0x00133100

0x00133118

hHeap的值怎么和那個buff的值那么接近呢？其實hHeap這個句柄就是指向HEAP首部的地址。在進程的用戶區(qū)存著一個叫PEB（進程環(huán)境塊）的結構，這個結構中存放著一些有關進程的重要信息，其中在PEB首地址偏移0x18處存放的ProcessHeap就是進程默認堆的地址，而偏移0x90處存放了指向進程所有堆的地址列表的指針。windows有很多API都使用進程的默認堆來存放動態(tài)數(shù)據(jù)，如windows 2000下的所有ANSI版本的函數(shù)都是在默認堆中申請內存來轉換ANSI字符串到Unicode字符串的。對一個堆的訪問是順序進行的，同一時刻只能有一個線程訪問堆中的數(shù)據(jù)，當多個線程同時有訪問要求時，只能排隊等待，這樣便造成程序執(zhí)行效率下降。

最后來說說內存中的數(shù)據(jù)對齊。所位數(shù)據(jù)對齊，是指數(shù)據(jù)所在的內存地址必須是該數(shù)據(jù)長度的整數(shù)倍，DWORD數(shù)據(jù)的內存起始地址能被4除盡，WORD數(shù)據(jù)的內存起始地址能被2除盡，x86 CPU能直接訪問對齊的數(shù)據(jù)，當他試圖訪問一個未對齊的數(shù)據(jù)時，會在內部進行一系列的調整，這些調整對于程序來說是透明的，但是會降低運行速度，所以編譯器在編譯程序時會盡量保證數(shù)據(jù)對齊。同樣一段代碼，我們來看看用VC、Dev-C++和lcc三個不同編譯器編譯出來的程序的執(zhí)行結果：

＃include 《stdio.h》

int main（）

{

int a;

char b;

int c;

printf（“0x%08x

”，&a）;

printf（“0x%08x

”，&b）;

printf（“0x%08x

”，&c）;

return 0;

}

這是用VC編譯后的執(zhí)行結果：

0x0012ff7c

0x0012ff7b

0x0012ff80

變量在內存中的順序：b（1字節(jié)）-a（4字節(jié)）-c（4字節(jié)）。

這是用Dev-C++編譯后的執(zhí)行結果：

0x0022ff7c

0x0022ff7b

0x0022ff74

變量在內存中的順序：c（4字節(jié)）-中間相隔3字節(jié)-b（占1字節(jié)）-a（4字節(jié)）。

這是用lcc編譯后的執(zhí)行結果：

0x0012ff6c

0x0012ff6b

0x0012ff64

變量在內存中的順序：同上。

三個編譯器都做到了數(shù)據(jù)對齊，但是后兩個編譯器顯然沒VC“聰明”，讓一個char占了4字節(jié)，浪費內存哦。

基礎知識：

堆棧是一種簡單的數(shù)據(jù)結構，是一種只允許在其一端進行插入或刪除的線性表。允許插入或刪除操作的一端稱為棧頂，另一端稱為棧底，對堆棧的插入和刪除操作被稱為入棧和出棧。有一組CPU指令可以實現(xiàn)對進程的內存實現(xiàn)堆棧訪問。其中，POP指令實現(xiàn)出棧操作，PUSH指令實現(xiàn)入棧操作。CPU的ESP寄存器存放當前線程的棧頂指針，EBP寄存器中保存當前線程的棧底指針。CPU的EIP寄存器存放下一個CPU指令存放的內存地址，當CPU執(zhí)行完當前的指令后，從EIP寄存器中讀取下一條指令的內存地址，然后繼續(xù)執(zhí)行。

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