以前做的一个小项目最近经常不稳定,查了下日志大部分都是因为缓冲溢出而导致程序报错,于是乎在网上查找了一些关于内存使用的内容,收获颇丰。在此将前人的一些精华总结收录于此,加深印象。有不对或不足的地方请大家予以指正。
文章链接:http://blog.csdn.net/szchtx/article/details/7981401
http://www.cppblog.com/oosky/archive/2006/01/21/2958.html
http://www.cnblogs.com/lln7777/archive/2012/03/14/2396164.html
汇编语言中的堆栈
在汇编语言中,堆栈段定义了堆栈的所在区域,它开辟了一个比较特殊的存储区,并且以后进先出的方式来访问这一区域。如果在程序中要用到 额寄存器,但它们的内容却在将来还有用,这时就可以用PUSHA/PUSHAD指令把它们保存在堆栈中,然后再需要时再用POPA/POPAD指令恢复其原始内容。子程序结构的程序和中断程序中就经常会用到。图1是PUSHAD指令执行情况的例子:
上面的例子是所有寄存器进栈指令的执行情况。指令执行后SP <— SP—32。
数据结构中的堆栈
在数据结构中,堆栈是两种数据结构:堆和栈。它们都是数据项按序排列的数据结构。
栈
栈是一种具有后进先出性质的数据结构,即最后存入的数据最先被取出。
有人将栈形象地比作装衣物的箱子,如果我们要取出放入箱子低下的东西(先存放的),首先要先已开它上面的东西(后存放的)。
堆
堆是一种经过排序的树形数据结构,其每个节点都有一个索引值。
通常我们所说的堆的数据结构,是指二叉堆。特点是根结点的值最小(或最大),且根结点的两个子树也是一个堆。有人将堆比作一颗倒过来的树。
由于堆的这个特性,常用来实现优先队列,堆的存取时随意,这就如同我们在图书馆的书架上取书,虽然书的摆放是有顺序的,但是我们想取任意一本时不必像栈一样,先取出前面所有的书,书架这种机制不同于箱子,我们可以直接取出我们想要的书。
*内存分配中的栈和堆*
程序内存分配过程:一般情况下程序存放在Rom(只读内存,比如硬盘)或Flash中,运行时需要拷到RAM(随机存储器RAM)中执行,RAM会分别存储不同的信息。
如下图(该图为从参考链接中的文章中拷贝而来)
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。
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。程序结束后由系统释放。
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。
下面是前人写的一个例子程序(具体作者不详),讲的很详细:
1 //main.cpp
2 int a = 0; 全局初始化区
3 char *p1; 全局未初始化区
4 main()
5 {
6 int b; 栈
7 char s[] = "abc"; 栈
8 char *p2; 栈
9 char *p3 = "123456"; 123456 在常量区,p3在栈上。
10 static int c =0; 全局(静态)初始化区
11 p1 = (char *)malloc(10);
12 p2 = (char *)malloc(20);
13 分配得来得10和20字节的区域就在堆区。
14 strcpy(p1, "123456"); 123456 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。
15 }
堆和栈的区别
1、申请、回收方式不同
栈(stack):由系统自动分配。
例如,在函数中声明一个局部变量int a,系统会自动在栈中为其开辟空间。该数据在栈上的生存周期只是在函数的运行过程中,运行完之后便自动释放掉,不可以再访问。
堆(heap):需要程序员自己申请,并指明大小。
在C中使用malloc函数,如:
p1 = (char*)malloc(10);
在C++中使用new运算符,如:
p2 =newchar[10];
注:p1,p2本身在栈中。
堆上的数据只要程序员不释放空间,就一直可以访问到,不过缺点是一旦忘记释放会造成内存泄露。
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。
也就是说堆会在申请后还要做一些后续的工作这就会引出申请效率的问题。
3、申请效率的比较
根据第0点和第1点可知。
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。
4、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。
5、堆和栈中的存储内容
由于栈的大小有限,所以用子函数还是有物理意义的,而不仅仅是逻辑意义。
栈: 在函数调用时,第一个进栈的是主函数中函数调用后的下一条指令(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。堆中的具体内容由程序员安排。
6、存取效率的比较
1 char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
2 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:
1 #include
2 void main()
3 {
4 char a = 1;
5 char c[] = "1234567890";
6 char *p ="1234567890";
7 a = c[1];
8 a = p[1];
9 return;
10 }
对应的汇编代码如下:
1 10: a = c[1];
2 00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
3 0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
4 11: a = p[1];
5 0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]
6 00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]
7 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。
关于堆和栈的比喻
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。
C++中堆和栈的比较表
栈(Stack) | 堆(Heap) | |
申请方式 | 由OS自动分配。例如在函数声明一个局部变量int b; OS自动在栈中为b开辟空间 |
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 = new char[10];
注意:p1和p2本身是在栈中的 |
申请后系统响应 | 只要栈的剩余空间大于所申请的空间,系统将为程序提供内存,否则将报异常提示栈移除。 | 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。 |
申请大小的限制 | 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。 |
申请的效率 | 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,它不是在堆,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。 |
存储内容 | 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。 | 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。 |
存取效率 | 快 | 慢 |
缓冲溢出例子分析
先来看下面的代码:
1 #include <stdio.h>
2 #include <string.h>
3
4 void __stdcall func()
5 {
6 char lpBuff[8]="