大内高手—栈/堆
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作者：李先静
更新时间：2007-7-9
l 栈
栈作为一种基本数据结构，我并不感到惊讶，用来实现函数调用，这也司空见惯的作法。直到我试图找到另外一种方式实现递归操作时，我才感叹于它的巧妙。要实现递归操作，不用栈不是不可能，而是找不出比它更优雅的方式。
尽管大多数编译器在优化时，会把常用的参数或者局部变量放入寄存器中。但用栈来管理函数调用时的临时变量（局部变量和参数）是通用做法，前者只是辅助手段，且只在当前函数中使用，一旦调用下一层函数，这些值仍然要存入栈中才行。
通常情况下，栈向下（低地址）增长，每向栈中PUSH一个元素，栈顶就向低地址扩展，每从栈中POP一个元素，栈顶就向高地址回退。一个有兴趣的问题：在x86平台上，栈顶寄存器为ESP，那么ESP的值在是PUSH操作之前修改呢，还是在PUSH操作之后修改呢？PUSH ESP这条指令会向栈中存入什么数据呢？据说x86系列CPU中，除了286外，都是先修改ESP，再压栈的。由于286没有CPUID指令，有的OS用这种方法检查286的型号。
一个函数内的局部变量以及其调用下一级函数的参数，所占用的内存空间作为一个基本的单元，称为一个帧(frame)。在gdb里，f 命令就是用来查看指定帧的信息的。在两个frame之间通过还存有其它信息，比如上一层frame的分界地址(EBP)等。
关于栈的基本知识，就先介绍这么多，我们下面来看看一些关于栈的技巧及应用：
1. backtrace的实现
callstack调试器的基本功能之一，利用此功能，你可以看到各级函数的调用关系。在gdb中，这一功能被称为backtrace，输入bt命令就可以看到当前函数的callstack。它的实现多少有些有趣，我们在这里研究一下。
我们先看看栈的基本模型
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参数N |
↓高地址 |
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参数… |
函数参数入栈的顺序与具体的调用方式有关 |
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参数 3 |
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参数 2 |
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参数 1 |
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EIP |
返回本次调用后，下一条指令的地址 |
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EBP |
保存调用者的EBP，然后EBP指向此时的栈顶。 |
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临时变量1 |
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临时变量2 |
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临时变量3 |
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临时变量… |
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临时变量5 |
↓低地址 |
要实现callstack我们需要知道以下信息：
l 调用函数时的指令地址（即当时的EIP）。
l 指令地址对应的源代码代码位置。
关于第一点，从上表中，我们可以看出，栈中存有各级EIP的值，我们取出来就行了。用下面的代码可以轻易实现：
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#include <stdio.h>
int backtrace(void** BUFFER, int SIZE) { int n = 0; int* p = &n; int i = 0;
int ebp = p[1]; int eip = p[2];
for(i = 0; i < SIZE; i++) { BUFFER[i] = (void*)eip; p = (int*)ebp; ebp = p[0]; eip = p[1]; }
return SIZE; }
#define N 4 static void test2() { int i = 0; void* BUFFER[N] = {0};
backtrace(BUFFER, N);
for(i = 0; i < N; i++) { printf("%p/n", BUFFER[i]); }
return; }
static void test1() { test2(); }
static void test() { test1(); }
int main(int argc, char* argv[]) { test();
return 0; } |
程序输出：
0x8048460
0x804849c
0x80484a9
0x80484cc
关于第二点，如何把指令地址与行号对应起来，这也很简单。可以从MAP文件或者ELF中查询。Binutil带有一个addr2line的小工具，可以帮助实现这一点。
[root@linux bt]# addr2line 0x804849c -e bt.exe
/root/test/bt/bt.c:42
2. alloca的实现
大家都知道动态分配的内存，一定要释放掉，否则就会有内存泄露。可能鲜有人知，动态分配的内存，可以不用释放。Alloca就是这样一个函数，最后一个a代表auto，即自动释放的意思。
Alloca是在栈中分配内存的。即然是在栈中分配，就像其它在栈中分配的临时变量一样，在当前函数调用完成时，这块内存自动释放。
正如我们前面讲过，栈的大小是有限制的，普通线程的栈只有10M大小，所以在分配时，要量力而行，且不要分配过大内存。
Alloca可能会渐渐的退出历史舞台，原因是新的C/C++标准都支持变长数组。比如int array[n]，老版本的编译器要求n是常量，而新编译器允许n是变量。编译器支持的这一功能完全可以取代alloca。
这不是一个标准函数，但像linux和win32等大多数平台都支持。即使少数平台不支持，要自己实现也不难。这里我们简单介绍一下alloca的实现方法。
我们先看看一个小程序，再看看它对应的汇编代码，一切都清楚了。
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#include <stdio.h>
int main(int argc, char* argv[]) { int n = 0; int* p = alloca(1024);
printf("&n=%p p=%p/n", &n, p); return 0; } |
汇编代码为：
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int main(int argc, char* argv[]) { 8048394: 55 push %ebp 8048395: 89 e5 mov %esp,%ebp 8048397: 83 ec 18 sub $0x18,%esp 804839a: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp 804839d: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 80483a2: 83 c0 0f add $0xf,%eax 80483a5: 83 c0 0f add $0xf,%eax 80483a8: c1 e8 04 shr $0x4,%eax 80483ab: c1 e0 04 shl $0x4,%eax 80483ae: 29 c4 sub %eax,%esp int n = 0; 80483b0: c7 45 fc 00 00 00 00 movl $0x0,0xfffffffc(%ebp) int* p = alloca(1024); 80483b7: 81 ec 10 04 00 00 sub $0x410,%esp 80483bd: 8d 44 24 0c lea 0xc(%esp),%eax 80483c1: 83 c0 0f add $0xf,%eax 80483c4: c1 e8 04 shr $0x4,%eax 80483c7: c1 e0 04 shl $0x4,%eax 80483ca: 89 45 f8 mov %eax,0xfffffff8(%ebp)
printf("&n=%p p=%p/n", &n, p); 80483cd: 8b 45 f8 mov 0xfffffff8(%ebp),%eax 80483d0: 89 44 24 08 mov %eax,0x8(%esp) 80483d4: 8d 45 fc lea 0xfffffffc(%ebp),%eax 80483d7: 89 44 24 04 mov %eax,0x4(%esp) 80483db: c7 04 24 98 84 04 08 movl $0x8048498,(%esp) 80483e2: e8 d1 fe ff ff call 80482b8 <printf@plt> return 0; 80483e7: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax } |
其中关键的一条指令为：sub $0x410,%esp
由此可以看出实现alloca，仅仅是把ESP减去指定大小，扩大栈空间（记记住栈是向下增长），这块空间就是分配的内存。
3. 可变参数的实现。
对新手来说，可变参数的函数也是比较神奇。还是以一个小程序来说明它的实现。
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#include <stdio.h> #include <stdarg.h>
int print(const char* fmt, ...) { int n1 = 0; int n2 = 0; int n3 = 0; va_list ap; va_start(ap, fmt);
n1 = va_arg(ap, int); n2 = va_arg(ap, int); n3 = va_arg(ap, int);
va_end(ap);
printf("n1=%d n2=%d n3=%d/n", n1, n2, n3);
return 0; }
int main(int arg, char argv[]) { print("%d/n", 1, 2, 3);
return 0; } |
我们看看对应的汇编代码：
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int print(const char* fmt, ...) { 8048394: 55 push %ebp 8048395: 89 e5 mov %esp,%ebp 8048397: 83 ec 28 sub $0x28,%esp int n1 = 0; 804839a: c7 45 fc 00 00 00 00 movl $0x0,0xfffffffc(%ebp) int n2 = 0; 80483a1: c7 45 f8 00 00 00 00 movl $0x0,0xfffffff8(%ebp) int n3 = 0; 80483a8: c7 45 f4 00 00 00 00 movl $0x0,0xfffffff4(%ebp) va_list ap; va_start(ap, fmt); 80483af: 8d 45 0c lea 0xc(%ebp),%eax 80483b2: 89 45 f0 mov %eax,0xfffffff0(%ebp)
n1 = va_arg(ap, int); 80483b5: 8b 55 f0 mov 0xfffffff0(%ebp),%edx 80483b8: 8d 45 f0 lea 0xfffffff0(%ebp),%eax 80483bb: 83 00 04 addl $0x4,(%eax) 80483be: 8b 02 mov (%edx),%eax 80483c0: 89 45 fc mov %eax,0xfffffffc(%ebp) n2 = va_arg(ap, int); 80483c3: 8b 55 f0 mov 0xfffffff0(%ebp),%edx 80483c6: 8d 45 f0 lea 0xfffffff0(%ebp),%eax 80483c9: 83 00 04 addl $0x4,(%eax) 80483cc: 8b 02 mov (%edx),%eax 80483ce: 89 45 f8 mov %eax,0xfffffff8(%ebp) n3 = va_arg(ap, int); 80483d1: 8b 55 f0 mov 0xfffffff0(%ebp),%edx 80483d4: 8d 45 f0 lea 0xfffffff0(%ebp),%eax 80483d7: 83 00 04 addl $0x4,(%eax) 80483da: 8b 02 mov (%edx),%eax 80483dc: 89 45 f4 mov %eax,0xfffffff4(%ebp)
va_end(ap); printf("n1=%d n2=%d n3=%d/n", n1, n2, n3); 80483df: 8b 45 f4 mov 0xfffffff4(%ebp),%eax 80483e2: 89 44 24 0c mov %eax,0xc(%esp) 80483e6: 8b 45 f8 mov 0xfffffff8(%ebp),%eax 80483e9: 89 44 24 08 mov %eax,0x8(%esp) 80483ed: 8b 45 fc mov 0xfffffffc(%ebp),%eax 80483f0: 89 44 24 04 mov %eax,0x4(%esp) 80483f4: c7 04 24 f8 84 04 08 movl $0x80484f8,(%esp) 80483fb: e8 b8 fe ff ff call 80482b8 <printf@plt>
return 0; 8048400: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax } int main(int arg, char argv[]) { 8048407: 55 push %ebp 8048408: 89 e5 mov %esp,%ebp 804840a: 83 ec 18 sub $0x18,%esp 804840d: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp 8048410: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 8048415: 83 c0 0f add $0xf,%eax 8048418: 83 c0 0f add $0xf,%eax 804841b: c1 e8 04 shr $0x4,%eax 804841e: c1 e0 04 shl $0x4,%eax 8048421: 29 c4 sub %eax,%esp int n = print("%d/n", 1, 2, 3); 8048423: c7 44 24 0c 03 00 00 movl $0x3,0xc(%esp) 804842a: 00 804842b: c7 44 24 08 02 00 00 movl $0x2,0x8(%esp) 8048432: 00 8048433: c7 44 24 04 01 00 00 movl $0x1,0x4(%esp) 804843a: 00 804843b: c7 04 24 0b 85 04 08 movl $0x804850b,(%esp) 8048442: e8 4d ff ff ff call 8048394 <print> 8048447: 89 45 fc mov %eax,0xfffffffc(%ebp)
return 0; 804844a: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax } |
从汇编代码中，我们可以看出，参数是逆序入栈的。在取参数时，先让ap指向第一个参数，又因为栈是向下增长的，不断把指针向上移动就可以取出所有参数了。
l 堆
在内存分配算法一节中再详细讲解。
