栈为什么要由高地址向低地址扩展？

原因

计算机内存分了代码段（.text段）、初始化的数据段（.data段）、未初始化的数据段（.bss段）、堆空间（heap）、栈空间（stack）和命令行参数和环境变量区域。

程序计数器(Program Counter，简称PC)的缺省指向0地址，计算机开机后从程序计数器指向的地址开始执行程序，每执行完一条指令后， 程序计数器自动加1。

因此很自然的，代码段从低地址区间开始加载，向高地址区间扩展；

heap从低地址向高地址扩展，做内存管理相对要简单些，为了避免栈空间和代码段冲突，最大利用地址空间，很自然的，我们会选择把栈底设置在高地址区间，然后让栈向下增长。

这是来自apue里一张经典的ｃ程序内存分布图，着重看一下heap和stack的内存分布。

typical memory arrangement

栈由高地址向低地址扩展的优点

stack从高地址向低地址扩展，这样栈空间的起始位置就能确定下来。动态的调整栈空间大小也不需要移动栈内的数据，如果是从低地址到高地址的扩展，结尾的地址是固定的，如果要扩大或缩小，则需要移动整个栈的数据。

并且这样设计可以使得堆和栈能够充分利用空闲的地址空间。如果栈向上涨的话，我们就必须得指定栈和堆的一个严格分界线，但这个分界线怎么确定呢？平均分？但是有的程序使用的堆空间比较多，而有的程序使用的栈空间比较多。

所以就可能出现这种情况：一个程序因为栈溢出而崩溃的时候，其实它还有大量闲置的堆空间呢，但是我们却无法使用这些闲置的堆空间。所以呢，最好的办法就是让堆和栈一个向上涨，一个向下涨，这样它们就可以最大程度地共用这块剩余的地址空间，达到利用率的最大化！

现在 CPU 指令集的设计

大部分CPU指令集设计了函数调用架构，定义了专用的调用/返回指令，并在指令中隐含规定栈的方向。

• 主流1：向低地址扩展：x86，MIPS
• 主流2：自由选择：Arm（但个别指令仅支持向低）
• 罕见：向高地址扩展：PA-RISC，操作系统Multics
• 非主流：System z，栈是个链表[2]

如果CPU同时支持向上和向下，例如arm，那么编译器需要指定程序的调用方向，一般还是选择向下。比较罕见的极端的案例是Multics操作系统，这是Unix的巨无霸前身，设计者刻意选用向高地址扩展，因为该架构有助于防御缓冲区溢出攻击[3]。

引用

[1] What is the logical explanation for stacks typically growing downward and heaps growing upward?
[2] 列出了8种架构的栈增长方向 What is the direction of stack growth in most modern systems?
[3] 罕见的栈增长方向 Why does the stack grow downward?