程序內存的分配

一個由C/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分：

• 棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操作方式類似于數據結構中的棧。

• 堆區（heap） — 一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表。

• 全局區（靜態區）（static）—，全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另一塊區域。- 程序結束后有系統釋放

• 文字常量區—常量字符串就是放在這里的。程序結束后由系統釋放

• 程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。

例子程序

這是一個前輩寫的，非常詳細。

//main.cppinta=0;//全局初始化區int a = 0; //全局初始化區char *p1; //全局未初始化區main() {int b; //棧char s[] = "abc"; //棧char *p2; //棧char *p3 = "123456"; //123456在常量區，p3在棧上。static int c = 0; //全局（靜態）初始化區    p1 = (char *)malloc(10);    p2 = (char *)malloc(20);//分配得來得10和20字節的區域就在堆區。strcpy(p1, "123456"); //123456放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。}

堆和棧的理論知識

1 申請方式

stack:由系統自動分配。例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中為b開辟空間。

heap:需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數。

如

p1 = (char *)malloc(10);

在C++中用new運算符，如

p2 = (char *)malloc(10);

但是注意p1、p2本身是在棧中的。

2 申請后系統的響應

棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢出。

堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

3申請大小的限制

棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。

堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較大。

4 申請效率的比較：

棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的。

堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而且容易產生內存碎片，不過用起來最方便。

另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。但是速度快，也最靈活。

5 堆和棧中的存儲內容

棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中后的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然后是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。

堆：一般是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

6 存取效率的比較

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就確定的；
但是，在以后的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。
比如：

＃includevoid main() {char a = 1;char c[] = "1234567890";char *p ="1234567890";    a = c[1];    a = p[1];return;}

對應的匯編代碼：

10: a = c[1];00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl11: 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

第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到edx中，在根據edx讀取字符，顯然慢了。

7 小結

堆和棧的區別可以用如下的比喻來看出：

使用棧就象我們去飯館里吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自由度小。關于STM32的堆棧，可以參考此文：詳解STM32單片機的堆棧。

使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

windows進程中的內存結構

在閱讀本文之前，如果你連堆棧是什么多不知道的話，請先閱讀文章后面的基礎知識。

接觸過編程的人都知道，高級語言都能通過變量名來訪問內存中的數據。那么這些變量在內存中是如何存放的呢？程序又是如何使用這些變量的呢？下面就會對此進行深入的討論。下文中的C語言代碼如沒有特別聲明，默認都使用VC編譯的release版。關于C語言的內存，可以參考此文：C語言中的內存管理。

首先，來了解一下 C 語言的變量是如何在內存分部的。C 語言有全局變量(Global)、本地變量(Local)，靜態變量(Static)、寄存器變量(Regeister)。每種變量都有不同的分配方式。先來看下面這段代碼：

＃include int g1=0, g2=0, g3=0; int main(){    static int s1=0, s2=0, s3=0;    int v1=0, v2=0, v3=0;    //打印出各個變量的內存地址        printf("0x%08x
",&v1); //打印各本地變量的內存地址    printf("0x%08x
",&v2);    printf("0x%08x

",&v3);    printf("0x%08x
",&g1); //打印各全局變量的內存地址    printf("0x%08x
",&g2);    printf("0x%08x

",&g3);    printf("0x%08x
",&s1); //打印各靜態變量的內存地址    printf("0x%08x
",&s2);    printf("0x%08x

",&s3);    return 0;}

編譯后的執行結果是：

0x0012ff78 0x0012ff7c0x0012ff80
0x004068d00x004068d40x004068d8
0x004068dc0x004068e00x004068e4

輸出的結果就是變量的內存地址。其中v1,v2,v3是本地變量，g1,g2,g3是全局變量，s1,s2,s3是靜態變量。你可以看到這些變量在內存是連續分布的，但是本地變量和全局變量分配的內存地址差了十萬八千里，而全局變量和靜態變量分配的內存是連續的。這是因為本地變量和全局/靜態變量是分配在不同類型的內存區域中的結果。

對于一個進程的內存空間而言，可以在邏輯上分成3個部份：

• 代碼區

• 靜態數據區

• 動態數據區

動態數據區一般就是“堆棧”。“棧(stack)”和“堆(heap)”是兩種不同的動態數據區，棧是一種線性結構，堆是一種鏈式結構。進程的每個線程都有私有的“棧”，所以每個線程雖然代碼一樣，但本地變量的數據都是互不干擾。

一個堆棧可以通過“基地址”和“棧頂”地址來描述。全局變量和靜態變量分配在靜態數據區，本地變量分配在動態數據區，即堆棧中。程序通過堆棧的基地址和偏移量來訪問本地變量。

├———————┤低端內存區域│ …… │├———————┤│ 動態數據區 │├———————┤│ …… │├———————┤│ 代碼區 │├———————┤│ 靜態數據區 │├———————┤│ …… │├———————┤高端內存區域

堆棧是一個先進后出的數據結構，棧頂地址總是小于等于棧的基地址。我們可以先了解一下函數調用的過程，以便對堆棧在程序中的作用有更深入的了解。不同的語言有不同的函數調用規定，這些因素有參數的壓入規則和堆棧的平衡。windows API的調用規則和ANSI C的函數調用規則是不一樣的，前者由被調函數調整堆棧，后者由調用者調整堆棧。兩者通過“__stdcall”和“__cdecl”前綴區分。

先看下面這段代碼：

＃include void __stdcall func(int param1,int param2,int param3){    int var1=param1;    int var2=param2;    int var3=param3;    printf("0x%08x
",param1); //打印出各個變量的內存地址    printf("0x%08x
",param2);    printf("0x%08x

",param3);    printf("0x%08x
",&var1);    printf("0x%08x
",&var2);    printf("0x%08x

",&var3);    return;}
int main() {    func(1,2,3);    return 0;}

編譯后的執行結果是：

0x0012ff780x0012ff7c0x0012ff800x0012ff680x0012ff6c0x0012ff70

├———————┤<—函數執行時的棧頂（ESP）、低端內存區域│ …… │├———————┤│ var 1 │├———————┤│ var 2 │├———————┤│ var 3 │├———————┤│ RET │├———————┤<—“__cdecl”函數返回后的棧頂（ESP）│ parameter 1 │├———————┤│ parameter 2 │├———————┤│ parameter 3 │├———————┤<—“__stdcall”函數返回后的棧頂（ESP）│ …… │├———————┤<—棧底（基地址 EBP）、高端內存區域

上圖就是函數調用過程中堆棧的樣子了。

首先，三個參數以從右到左的次序壓入堆棧，先壓“param3”，再壓“param2”，最后壓入“param1”；然后壓入函數的返回地址(RET)，接著跳轉到函數地址接著執行（這里要補充一點，介紹UNIX下的緩沖溢出原理的文章中都提到在壓入RET后，繼續壓入當前EBP，然后用當前ESP代替EBP。然而，有一篇介紹windows下函數調用的文章中說，在windows下的函數調用也有這一步驟，但根據我的實際調試，并未發現這一步，這還可以從param3和var1之間只有4字節的間隙這點看出來）；第三步，將棧頂(ESP)減去一個數，為本地變量分配內存空間，上例中是減去12字節(ESP=ESP-3*4，每個int變量占用4個字節)；接著就初始化本地變量的內存空間。由于“__stdcall”調用由被調函數調整堆棧，所以在函數返回前要恢復堆棧，先回收本地變量占用的內存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前壓入參數占用的內存(ESP=ESP+3*4)，繼續執行調用者的代碼。

參見下列匯編代碼：

;--------------func函數的匯編代碼-------------------
:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //創建本地變量的內存空間: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
……………………（省略若干代碼）
:00401075 83C43C add esp, 0000003C ;恢復堆棧，回收本地變量的內存空間:00401078 C3 ret 000C ;函數返回，恢復參數占用的內存空間;如果是“__cdecl”的話，這里是“ret”，堆棧將由調用者恢復
;-------------------函數結束-------------------------
;--------------主程序調用func函數的代碼--------------
:00401080 6A03 push 00000003 //壓入參數param3:00401082 6A02 push 00000002 //壓入參數param2:00401084 6A01 push 00000001 //壓入參數param1:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //調用func函數;如果是“__cdecl”的話，將在這里恢復堆棧，“add esp, 0000000C”

聰明的讀者看到這里，差不多就明白緩沖溢出的原理了。先來看下面的代碼：

＃include ＃include <string.h>
void __stdcall func() {    char lpBuff[8]="";    strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");    return;}
int main() {    func();    return 0;}

編譯后執行一下回怎么樣？

哈，“”0x00414141”指令引用的”0x00000000”內存。該內存不能為”read”。”，“非法操作”嘍！”41”就是”A”的16進制的ASCII碼了，那明顯就是strcat這句出的問題了。

“pBuff”的大小只有8字節，算進結尾的，那strcat最多只能寫入7個”A”，但程序實際寫入了11個”A”外加1個。再來看看上面那幅圖，多出來的4個字節正好覆蓋了RET的所在的內存空間，導致函數返回到一個錯誤的內存地址，執行了錯誤的指令。如果能精心構造這個字符串，使它分成三部分，前一部份僅僅是填充的無意義數據以達到溢出的目的，接著是一個覆蓋RET的數據，緊接著是一段shellcode，那只要這個RET地址能指向這段shellcode的第一個指令，那函數返回時就能執行shellcode了。

但是軟件的不同版本和不同的運行環境都可能影響這段shellcode在內存中的位置，那么要構造這個RET是十分困難的。一般都在RET和shellcode之間填充大量的NOP指令，使得exploit有更強的通用性。

├———————┤<—低端內存區域│ …… │├———————┤<—由exploit填入數據的開始│ ││ buffer │<—填入無用的數據│ │├———————┤│ RET │<—指向shellcode，或NOP指令的范圍├———————┤│ NOP ││ …… │<—填入的NOP指令，是RET可指向的范圍│ NOP │├———————┤│ ││ shellcode ││ │├———————┤<—由exploit填入數據的結束│ …… │├———————┤<—高端內存區域

windows下的動態數據除了可存放在棧中，還可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可以使用new關鍵字來動態分配內存。來看下面的C++代碼：

＃include ＃include ＃include 
void func(){    char *buffer=new char[128];    char bufflocal[128];    static char buffstatic[128];    printf("0x%08x
",buffer); //打印堆中變量的內存地址    printf("0x%08x
",bufflocal); //打印本地變量的內存地址    printf("0x%08x
",buffstatic); //打印靜態變量的內存地址}
void main() {    func();    return;}

程序執行結果為：

0x004107d00x0012ff040x004068c0

可以發現用new關鍵字分配的內存即不在棧中，也不在靜態數據區。VC編譯器是通過windows下的“堆(heap)”來實現new關鍵字的內存動態分配。在講“堆”之前，先來了解一下和“堆”有關的幾個API函數：

- HeapAlloc 在堆中申請內存空間- HeapCreate 創建一個新的堆對象- HeapDestroy 銷毀一個堆對象- HeapFree 釋放申請的內存- HeapWalk 枚舉堆對象的所有內存塊- GetProcessHeap 取得進程的默認堆對象- GetProcessHeaps 取得進程所有的堆對象- LocalAlloc- GlobalAlloc

當進程初始化時，系統會自動為進程創建一個默認堆，這個堆默認所占內存的大小為1M。堆對象由系統進行管理，它在內存中以鏈式結構存在。通過下面的代碼可以通過堆動態申請內存空間：

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

其中hHeap是堆對象的句柄，buff是指向申請的內存空間的地址。那這個hHeap究竟是什么呢？它的值有什么意義嗎？看看下面這段代碼吧：

#pragmacomment(linker,"/entry:main")//定義程序的入口＃include 
_CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //定義STL函數printf/*--------------------------------------------------------------------------- 寫到這里，我們順便來復習一下前面所講的知識： (*注)printf函數是C語言的標準函數庫中函數，VC的標準函數庫由msvcrt.dll模塊實現。 由函數定義可見，printf的參數個數是可變的，函數內部無法預先知道調用者壓入的參數個數， 函數只能通過分析第一個參數字符串的格式來獲得壓入參數的信息，由于這里參數的個數是動態的， 所以必須由調用者來平衡堆棧，這里便使用了__cdecl調用規則。BTW，Windows系統的API函數基本上是__stdcall調用形式， 只有一個API例外，那就是wsprintf，它使用__cdecl調用規則，同printf函數一樣，這是由于它的參數個數是可變的緣故。  ---------------------------------------------------------------------------*/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
",hHeap);    printf("0x%08x
",buff);    printf("0x%08x

",buff2);}

執行結果為：

0x001300000x001331000x00133118

hHeap的值怎么和那個buff的值那么接近呢？其實hHeap這個句柄就是指向HEAP首部的地址。在進程的用戶區存著一個叫PEB(進程環境塊)的結構，這個結構中存放著一些有關進程的重要信息，其中在PEB首地址偏移0x18處存放的ProcessHeap就是進程默認堆的地址，而偏移0x90處存放了指向進程所有堆的地址列表的指針。windows有很多API都使用進程的默認堆來存放動態數據，如windows 2000下的所有ANSI版本的函數都是在默認堆中申請內存來轉換ANSI字符串到Unicode字符串的。對一個堆的訪問是順序進行的，同一時刻只能有一個線程訪問堆中的數據，當多個線程同時有訪問要求時，只能排隊等待，這樣便造成程序執行效率下降。

最后來說說內存中的數據對齊。所位數據對齊，是指數據所在的內存地址必須是該數據長度的整數倍，DWORD數據的內存起始地址能被4除盡，WORD數據的內存起始地址能被2除盡，x86 CPU能直接訪問對齊的數據，當他試圖訪問一個未對齊的數據時，會在內部進行一系列的調整，這些調整對于程序來說是透明的，但是會降低運行速度，所以編譯器在編譯程序時會盡量保證數據對齊。同樣一段代碼，我們來看看用VC、Dev-C++和lcc三個不同編譯器編譯出來的程序的執行結果：

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

這是用VC編譯后的執行結果：

0x0012ff7c0x0012ff7b0x0012ff80

變量在內存中的順序：b(1字節)-a(4字節)-c(4字節)。

這是用Dev-C++編譯后的執行結果：

0x0022ff7c0x0022ff7b0x0022ff74

變量在內存中的順序：c(4字節)-中間相隔3字節-b(占1字節)-a(4字節)。

這是用lcc編譯后的執行結果：

0x0012ff6c0x0012ff6b0x0012ff64

變量在內存中的順序：同上。

三個編譯器都做到了數據對齊，但是后兩個編譯器顯然沒VC“聰明”，讓一個char占了4字節，浪費內存哦。

基礎知識：

堆棧是一種簡單的數據結構，是一種只允許在其一端進行插入或刪除的線性表。允許插入或刪除操作的一端稱為棧頂，另一端稱為棧底，對堆棧的插入和刪除操作被稱為入棧和出棧。有一組CPU指令可以實現對進程的內存實現堆棧訪問。

其中，POP指令實現出棧操作，PUSH指令實現入棧操作。CPU的ESP寄存器存放當前線程的棧頂指針，EBP寄存器中保存當前線程的棧底指針。CPU的EIP寄存器存放下一個CPU指令存放的內存地址，當CPU執行完當前的指令后，從EIP寄存器中讀取下一條指令的內存地址，然后繼續執行。

https://blog.csdn.net/yingms/article/details/53188974
責任編輯：haq