堆heap与栈stack的区别.docx
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堆heap与栈stack的区别
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。