阅读经典——《深入理解计算机系统》05
本文讲述三个比较冷门的话题：联合、数据对齐和缓冲区溢出攻击。
- 联合体
- 数据对齐
- 栈帧为什么必须16字节对齐？
- 缓冲区溢出攻击
联合体
在C语言中有这么一个不常用的数据类型union，往往被人们遗忘。它就是联合体。
与结构体类似，都是用来封装多种数据类型，但含义不同。结构体会将各个字段按顺序分配各自独立的内存空间。而联合体则是只申请一块内存空间，由所有字段共用。听起来有些不可思议，共用一块内存空间的字段岂不是只能有一个值，那那些字段还怎么区分？下面给出一个使用联合体的经典案例。
我们想要实现一个二叉树结构，所有的内部结点具有左孩子和右孩子，但没有数据；所有的叶子结点既没有左孩子也没有右孩子，但有数据。很容易想到可以用如下的结构体来实现：
struct NODE_S {
struct NODE_S *left;
struct NODE_S *right;
double data;
};
这样的话每个结点需要16字节，是不是有点浪费？因为总是有一半的空间处于无用状态，当作为内部结点时，data字段为空，当作为叶子结点时，left和right结点都为空。
这时候就可以用联合体来节约空间，原型如下：
union NODE_U {
struct {
union NODE_U *left;
union NODE_U *right;
} internal;
double data;
};
这样的话每个结点只需要8个字节了，因为internal大小为8个字节，double大小也是8个字节，取最大值还是8个字节。对于该联合体类型的指针n，我们可以用n->internal.left来访问内部结点的左孩子，也可以用n->data来访问叶子结点。
可是，这个结果仍然不够令人满意，因为我们无法分辨出当前结点是内部结点还是叶子结点。那么我们可以增加一个枚举字段来表示结点类型：
typedef enum { N_LEAF, N_INTERNAL } nodetype_t;
struct NODE_T {
nodetype_t type;
union {
struct {
struct NODE_T *left;
struct NODE_T *right;
} internal;
double data;
} info;
};
这样一来每个结点需要12个字节了，type字段占用4个字节，info字段占用8个字节。当internal和data占用空间非常大时，该方案可以极大地降低内存消耗。
数据对齐
IA32并不要求数据对齐，但不同的平台有着额外的要求。Linux要求2字节数据类型（例如short）必须2字节对齐（意思是该数据的地址必须是2的整数倍），大于2字节的数据类型必须4字节对齐。而Windows要求K字节数据类型必须K字节对齐，除了long double要求4字节对齐。
对齐的数据有利于提高CPU的存取效率，更详细的说明见参考资料。
值得一提的是，为了对齐数据，结构体中往往会采取增加间隙的措施。例如对于如下结构体：
struct S1 {
int i;
char c;
int j;
};
如果以完全紧密放置的方式保存的话，内存空间分配如下：
这导致j不满足4字节对齐的要求。因此编译器会在c后面插入一个3字节的间隙，如下所示：
此时所有数据都满足了对齐要求。
栈帧为什么必须16字节对齐？
现在我们来解释上一篇文章《函数调用栈》中提出的问题，栈帧为什么必须16字节对齐。
Intel从Pentium III处理器开始推出的SSE指令集（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展）要求操作对象为16字节对齐的数据。因此，栈帧为了支持该指令集，必须使自己16字节对齐，从而栈帧内部的数据才可能16字节对齐。否则即使数据相对于栈顶对齐，地址也不是16的整数倍。
缓冲区溢出攻击
缓冲区溢出的含义是为缓冲区提供了多于其存储容量的数据，就像往杯子里倒入了过量的水一样。通常情况下，缓冲区溢出的数据只会破坏程序数据，造成意外终止。但是如果有人精心构造溢出数据的内容，那么就有可能获得系统的控制权！例如，对于如下的简单程序：
void echo()
{
char buf[8];
gets(buf);
puts(buf);
}
该函数的功能是读取输入的字符串，并输出。对应的栈帧结构如下：
如果gets函数中给buf赋予了长度超过8的字符串，可以想象，这个字符串将覆盖buf上方的内容。随着字符串长度的增大，echo栈帧中的“保存的%ebx”、“保存的%ebp”，以及调用者的栈帧中的“返回地址”将被依次覆盖。大部分情况下，覆盖会使程序紊乱并出错，从而导致程序终止，但如果有人巧妙地设计覆盖的内容，就实现了所谓的缓冲区溢出攻击。
简单来讲，黑客可以把恶意代码通过buf传入内存，并恰好使返回地址指向恶意代码的起始位置。这样的话，一旦echo函数返回，程序将立即跳转到恶意代码段，如果程序具有管理员权限，恶意代码就有了任意操作整个计算机的能力，后果不堪设想。
当然，时至今日，缓冲器溢出攻击已经不能通过这种简单的方式实现了。人们在编译器、处理器中切断了缓冲区溢出攻击的必经之路。但是，道高一尺魔高一丈，黑客们总能找到系统的漏洞，让系统安全人员防不胜防。正应了那句话：没有绝对安全的系统。在参考资料提到的另一篇博文中，详细讲述了缓冲区溢出攻击的细节，并给出了简单的实现代码，感兴趣的读者可以前往阅读。
参考资料
数据对齐详解 bakari
缓冲区溢出攻击 范志东