大内高手—栈/堆

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作者联系方式：李先静 <xianjimli at hotmail dot com>

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

参数N	↓高地址
参数…	函数参数入栈的顺序与具体的调用方式有关
参数 3
参数 2
参数 1
EIP	返回本次调用后，下一条指令的地址
EBP	保存调用者的EBP，然后EBP指向此时的栈顶。
临时变量1
临时变量2
临时变量3
临时变量…
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：

#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。

#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：

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。

#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：

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