关于C语言堆栈的经典讲解

程序内存的分配

    一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

• 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。
  

• 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。
  

• 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
  

• 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
  

• 程序代码区—存放函数体的二进制代码。

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
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\0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\0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。
}

堆和栈的理论知识

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 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。

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。

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。但是速度快，也最灵活。

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。

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针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。

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。关于STM32的堆栈，可以参考此文：详解STM32单片机的堆栈。
    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。

windows进程中的内存结构

    在阅读本文之前，如果你连堆栈是什么多不知道的话，请先阅读文章后面的基础知识。

    接触过编程的人都知道，高级语言都能通过变量名来访问内存中的数据。那么这些变量在内存中是如何存放的呢？程序又是如何使用这些变量的呢？下面就会对此进行深入的讨论。下文中的C语言代码如没有特别声明，默认都使用VC编译的release版。关于C语言的内存，可以参考此文：C语言中的内存管理。

    首先，来了解一下 C 语言的变量是如何在内存分部的。C 语言有全局变量(Global)、本地变量(Local)，静态变量(Static)、寄存器变量(Regeister)。每种变量都有不同的分配方式。先来看下面这段代码：

＃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;
    //打印出各个变量的内存地址    
    printf("0x%08x\n",&v1); //打印各本地变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&v2);
    printf("0x%08x\n\n",&v3);
    printf("0x%08x\n",&g1); //打印各全局变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&g2);
    printf("0x%08x\n\n",&g3);
    printf("0x%08x\n",&s1); //打印各静态变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",&s2);
    printf("0x%08x\n\n",&s3);
    return 0;
}

    编译后的执行结果是：

0x0012ff78 
0x0012ff7c
0x0012ff80

0x004068d0
0x004068d4
0x004068d8

0x004068dc
0x004068e0
0x004068e4

    输出的结果就是变量的内存地址。其中v1,v2,v3是本地变量，g1,g2,g3是全局变量，s1,s2,s3是静态变量。你可以看到这些变量在内存是连续分布的，但是本地变量和全局变量分配的内存地址差了十万八千里，而全局变量和静态变量分配的内存是连续的。这是因为本地变量和全局/静态变量是分配在不同类型的内存区域中的结果。

    对于一个进程的内存空间而言，可以在逻辑上分成3个部份：

• 代码区

• 静态数据区

• 动态数据区

    动态数据区一般就是“堆栈”。“栈(stack)”和“堆(heap)”是两种不同的动态数据区，栈是一种线性结构，堆是一种链式结构。进程的每个线程都有私有的“栈”，所以每个线程虽然代码一样，但本地变量的数据都是互不干扰。

    一个堆栈可以通过“基地址”和“栈顶”地址来描述。全局变量和静态变量分配在静态数据区，本地变量分配在动态数据区，即堆栈中。程序通过堆栈的基地址和偏移量来访问本地变量。

├———————┤低端内存区域
│ …… │
├———————┤
│ 动态数据区 │
├———————┤
│ …… │
├———————┤
│ 代码区 │
├———————┤
│ 静态数据区 │
├———————┤
│ …… │
├———————┤高端内存区域

    堆栈是一个先进后出的数据结构，栈顶地址总是小于等于栈的基地址。我们可以先了解一下函数调用的过程，以便对堆栈在程序中的作用有更深入的了解。不同的语言有不同的函数调用规定，这些因素有参数的压入规则和堆栈的平衡。windows API的调用规则和ANSI C的函数调用规则是不一样的，前者由被调函数调整堆栈，后者由调用者调整堆栈。两者通过“__stdcall”和“__cdecl”前缀区分。

    先看下面这段代码：

＃include <stdio.h>
void __stdcall func(int param1,int param2,int param3)
{
    int var1=param1;
    int var2=param2;
    int var3=param3;
    printf("0x%08x\n",param1); //打印出各个变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",param2);
    printf("0x%08x\n\n",param3);
    printf("0x%08x\n",&var1);
    printf("0x%08x\n",&var2);
    printf("0x%08x\n\n",&var3);
    return;
}

int main() {
    func(1,2,3);
    return 0;
}

    编译后的执行结果是：

0x0012ff78
0x0012ff7c
0x0012ff80

0x0012ff68
0x0012ff6c
0x0012ff70

├———————┤<—函数执行时的栈顶（ESP）、低端内存区域
│ …… │
├———————┤
│ var 1 │
├———————┤
│ var 2 │
├———————┤
│ var 3 │
├———————┤
│ RET │
├———————┤<—“__cdecl”函数返回后的栈顶（ESP）
│ parameter 1 │
├———————┤
│ parameter 2 │
├———————┤
│ parameter 3 │
├———————┤<—“__stdcall”函数返回后的栈顶（ESP）
│ …… │
├———————┤<—栈底（基地址 EBP）、高端内存区域

    上图就是函数调用过程中堆栈的样子了。

    首先，三个参数以从右到左的次序压入堆栈，先压“param3”，再压“param2”，最后压入“param1”；然后压入函数的返回地址(RET)，接着跳转到函数地址接着执行（这里要补充一点，介绍UNIX下的缓冲溢出原理的文章中都提到在压入RET后，继续压入当前EBP，然后用当前ESP代替EBP。然而，有一篇介绍windows下函数调用的文章中说，在windows下的函数调用也有这一步骤，但根据我的实际调试，并未发现这一步，这还可以从param3和var1之间只有4字节的间隙这点看出来）；第三步，将栈顶(ESP)减去一个数，为本地变量分配内存空间，上例中是减去12字节(ESP=ESP-3*4，每个int变量占用4个字节)；接着就初始化本地变量的内存空间。由于“__stdcall”调用由被调函数调整堆栈，所以在函数返回前要恢复堆栈，先回收本地变量占用的内存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前压入参数占用的内存(ESP=ESP+3*4)，继续执行调用者的代码。

    参见下列汇编代码：

;--------------func 函数的汇编代码-------------------

:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //创建本地变量的内存空间
: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

……………………（省略若干代码）

:00401075 83C43C add esp, 0000003C ;恢复堆栈，回收本地变量的内存空间
:00401078 C3 ret 000C ;函数返回，恢复参数占用的内存空间
;如果是“__cdecl”的话，这里是“ret”，堆栈将由调用者恢复

;-------------------函数结束-------------------------

;--------------主程序调用func函数的代码--------------

:00401080 6A03 push 00000003 //压入参数param3
:00401082 6A02 push 00000002 //压入参数param2
:00401084 6A01 push 00000001 //压入参数param1
:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //调用func函数
;如果是“__cdecl”的话，将在这里恢复堆栈，“add esp, 0000000C”

    聪明的读者看到这里，差不多就明白缓冲溢出的原理了。先来看下面的代码：

＃include <stdio.h>
＃include <string.h>

void __stdcall func() {
    char lpBuff[8]="\0";
    strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
    return;
}

int main() {
    func();
    return 0;
}

    编译后执行一下回怎么样？

    哈，“”0x00414141”指令引用的”0x00000000”内存。该内存不能为”read”。”，“非法操作”喽！”41”就是”A”的16进制的ASCII码了，那明显就是strcat这句出的问题了。

    ”lpBuff”的大小只有8字节，算进结尾的\0，那strcat最多只能写入7个”A”，但程序实际写入了11个”A”外加1个\0。再来看看上面那幅图，多出来的4个字节正好覆盖了RET的所在的内存空间，导致函数返回到一个错误的内存地址，执行了错误的指令。如果能精心构造这个字符串，使它分成三部分，前一部份仅仅是填充的无意义数据以达到溢出的目的，接着是一个覆盖RET的数据，紧接着是一段shellcode，那只要这个RET地址能指向这段shellcode的第一个指令，那函数返回时就能执行shellcode了。但是软件的不同版本和不同的运行环境都可能影响这段shellcode在内存中的位置，那么要构造这个RET是十分困难的。一般都在RET和shellcode之间填充大量的NOP指令，使得exploit有更强的通用性。

├———————┤<—低端内存区域
│ …… │
├———————┤<—由exploit填入数据的开始
│ │
│ buffer │<—填入无用的数据
│ │
├———————┤
│ RET │<—指向shellcode，或NOP指令的范围
├———————┤
│ NOP │
│ …… │<—填入的NOP指令，是RET可指向的范围
│ NOP │
├———————┤
│ │
│ shellcode │
│ │
├———————┤<—由exploit填入数据的结束
│ …… │
├———————┤<—高端内存区域

    windows下的动态数据除了可存放在栈中，还可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可以使用new关键字来动态分配内存。来看下面的C++代码：

＃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\n",buffer); //打印堆中变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",bufflocal); //打印本地变量的内存地址
    printf("0x%08x\n",buffstatic); //打印静态变量的内存地址
}

void main() {
    func();
    return;
}

    程序执行结果为：

0x004107d0
0x0012ff04
0x004068c0

    可以发现用new关键字分配的内存即不在栈中，也不在静态数据区。VC编译器是通过windows下的“堆(heap)”来实现new关键字的内存动态分配。在讲“堆”之前，先来了解一下和“堆”有关的几个API函数：

- HeapAlloc 在堆中申请内存空间
- HeapCreate 创建一个新的堆对象
- HeapDestroy 销毁一个堆对象
- HeapFree 释放申请的内存
- HeapWalk 枚举堆对象的所有内存块
- GetProcessHeap 取得进程的默认堆对象
- GetProcessHeaps 取得进程所有的堆对象
- LocalAlloc
- GlobalAlloc

    当进程初始化时，系统会自动为进程创建一个默认堆，这个堆默认所占内存的大小为1M。堆对象由系统进行管理，它在内存中以链式结构存在。通过下面的代码可以通过堆动态申请内存空间：

HANDLE hHeap=GetProcessHeap();
char *buff=HeapAlloc(hHeap,0,8);

    其中hHeap是堆对象的句柄，buff是指向申请的内存空间的地址。那这个hHeap究竟是什么呢？它的值有什么意义吗？看看下面这段代码吧：

#pragma comment(linker,"/entry:main") //定义程序的入口
＃include <windows.h>

_CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //定义STL函数printf
/*---------------------------------------------------------------------------
 写到这里，我们顺便来复习一下前面所讲的知识：
 (*注)printf函数是C语言的标准函数库中函数，VC的标准函数库由msvcrt.dll模块实现。
 由函数定义可见，printf的参数个数是可变的，函数内部无法预先知道调用者压入的参数个数，
 函数只能通过分析第一个参数字符串的格式来获得压入参数的信息，由于这里参数的个数是动态的，
 所以必须由调用者来平衡堆栈，这里便使用了__cdecl调用规则。BTW，Windows系统的API函数基本上是__stdcall调用形式，
 只有一个API例外，那就是wsprintf，它使用__cdecl调用规则，同printf函数一样，这是由于它的参数个数是可变的缘故。 
 ---------------------------------------------------------------------------*/
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\n",hHeap);
    printf("0x%08x\n",buff);
    printf("0x%08x\n\n",buff2);
}

    执行结果为：

0x00130000
0x00133100
0x00133118

    hHeap的值怎么和那个buff的值那么接近呢？其实hHeap这个句柄就是指向HEAP首部的地址。在进程的用户区存着一个叫PEB(进程环境块)的结构，这个结构中存放着一些有关进程的重要信息，其中在PEB首地址偏移0x18处存放的ProcessHeap就是进程默认堆的地址，而偏移0x90处存放了指向进程所有堆的地址列表的指针。windows有很多API都使用进程的默认堆来存放动态数据，如windows 2000下的所有ANSI版本的函数都是在默认堆中申请内存来转换ANSI字符串到Unicode字符串的。对一个堆的访问是顺序进行的，同一时刻只能有一个线程访问堆中的数据，当多个线程同时有访问要求时，只能排队等待，这样便造成程序执行效率下降。

    最后来说说内存中的数据对齐。所位数据对齐，是指数据所在的内存地址必须是该数据长度的整数倍，DWORD数据的内存起始地址能被4除尽，WORD数据的内存起始地址能被2除尽，x86 CPU能直接访问对齐的数据，当他试图访问一个未对齐的数据时，会在内部进行一系列的调整，这些调整对于程序来说是透明的，但是会降低运行速度，所以编译器在编译程序时会尽量保证数据对齐。同样一段代码，我们来看看用VC、Dev-C++和lcc三个不同编译器编译出来的程序的执行结果：

＃include <stdio.h> 

int main()
    {
    int a;
    char b;
    int c;
    printf("0x%08x\n",&a);
    printf("0x%08x\n",&b);
    printf("0x%08x\n",&c);
    return 0;
}

    这是用VC编译后的执行结果：

0x0012ff7c
0x0012ff7b
0x0012ff80

    变量在内存中的顺序：b(1字节)-a(4字节)-c(4字节)。

    这是用Dev-C++编译后的执行结果：

0x0022ff7c
0x0022ff7b
0x0022ff74

    变量在内存中的顺序：c(4字节)-中间相隔3字节-b(占1字节)-a(4字节)。

    这是用lcc编译后的执行结果：

0x0012ff6c
0x0012ff6b
0x0012ff64

    变量在内存中的顺序：同上。

    三个编译器都做到了数据对齐，但是后两个编译器显然没VC“聪明”，让一个char占了4字节，浪费内存哦。

基础知识：

    堆栈是一种简单的数据结构，是一种只允许在其一端进行插入或删除的线性表。允许插入或删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底，对堆栈的插入和删除操作被称为入栈和出栈。有一组CPU指令可以实现对进程的内存实现堆栈访问。

    其中，POP指令实现出栈操作，PUSH指令实现入栈操作。CPU的ESP寄存器存放当前线程的栈顶指针，EBP寄存器中保存当前线程的栈底指针。CPU的EIP寄存器存放下一个CPU指令存放的内存地址，当CPU执行完当前的指令后，从EIP寄存器中读取下一条指令的内存地址，然后继续执行。

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