堆和栈的区别.docx
《堆和栈的区别.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堆和栈的区别.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
堆和栈的区别
StackandHeepAuthor→zane78（2006-3-2910:
01:
00）
堆和栈的区别
一、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
inta=0;全局初始化区
char*p1;全局未初始化区
main（）
{
intb;栈
chars[]="abc";栈
char*p2;栈
char*p3="123456";123456\0在常量区，p3在栈上。
staticintc=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。
}
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intb;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。
但是速度快，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
chars1[]="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
voidmain（）
{
chara=1;
charc[]="1234567890";
char*p="1234567890";
a=c[1];
a=p[1];
return;
}
对应的汇编代码
10:
a=c[1];
004010678A4DF1movcl,byteptr[ebp-0Fh]
0040106A884DFCmovbyteptr[ebp-4],cl
11:
a=p[1];
0040106D8B55ECmovedx,dwordptr[ebp-14h]
004010708A4201moval,byteptr[edx+1]
004010738845FCmovbyteptr[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。
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。
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。
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
intg1=0,g2=0,g3=0;
intmain（）
{
staticints1=0,s2=0,s3=0;
intv1=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）;
return0;
}
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，静态数据区和动态数据区。
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。
windowsAPI的调用规则和ANSIC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
void__stdcallfunc（intparam1,intparam2,intparam3）
{
intvar1=param1;
intvar2=param2;
intvar3=param3;
printf（"0x%08x\n",¶m1）;//打印出各个变量的内存地址
printf（"0x%08x\n",¶m2）;
printf（"0x%08x\n\n",¶m3）;
printf（"0x%08x\n",&var1）;
printf（"0x%08x\n",&var2）;
printf（"0x%08x\n\n",&var3）;
return;
}
intmain（）
{
func（1,2,3）;
return0;
}
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
│……│
├———————┤
│var1│
├———————┤
│var2│
├———————┤
│var3│
├———————┤
│RET│
├———————┤<—“__cdecl”函数返回后的栈顶（ESP）
│parameter1│
├———————┤
│parameter2│
├———————┤
│parameter3│
├———————┤<—“__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，三个参数以从又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-------------------
:
0040100083EC0Csubesp,0000000C//创建本地变量的内存空间
:
004010038B442410moveax,dwordptr[esp+10]
:
004010078B4C2414movecx,dwordptr[esp+14]
:
0040100B8B542418movedx,dwordptr[esp+18]
:
0040100F89442400movdwordptr[esp],eax
:
004010138D442410leaeax,dwordptr[esp+10]
:
00401017894C2404movdwordptr[esp+04],ecx
……………………（省略若干代码）
:
0040107583C43Caddesp,0000003C;恢复堆栈，回收本地变量的内存空间
:
00401078C3ret000C;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--------------
:
004010806A03push00000003//压入参数param3
:
004010826A02push00000002//压入参数param2
:
004010846A01push00000001//压入参数param1
:
00401086E875FFFFFFcall00401000//调用func函数
;如果是“__cdecl”的话，将在这里恢复堆栈，“addesp,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
#include
void__stdcallfunc（）
{
charlpBuff[8]="\0";
strcat（lpBuff,"AAAAAAAAAAA"）;
return;
}
intmain（）
{
func（）;
return0;
}
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，那只要着个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
#include
#include
voidfunc（）
{
char*buffer=newchar[128];
charbufflocal[128];
staticcharbuffstatic[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
}
voidmain（）
{
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：
HANDLEhHeap=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：
#pragmacomment（linker,"/entry:
main"）//定义程序的入口
#include
_CRTIMPint（__cdecl*printf）（constchar*,...）;//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。
---------------------------------------------------------------------------*/
voidmain（）
{
HANDLEhHeap=GetProcessHeap（）;
char*buff=HeapAlloc（hHeap,0,0x10）;
char*buff2=HeapAlloc（hHeap,0,0x10）;
HMODULEhMsvcrt=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windows2000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，x86CPU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
升级会员 