7.8 KiB
内存管理
什么是内存
为了使用户程序在运行时具有一个私有的地址空间、有自己的 CPU，就像独占了整个计算机一样，现代操作系统提出了虚拟内存的概念。
虚拟内存的主要作用主要为三个：
- 它将内存看做一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在内存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和内存之间来回传送数据。
- 它为每个进程提供了一致的地址空间。
- 它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
现代操作系统采用虚拟寻址的方式，CPU 通过生成一个虚拟地址（Virtual Address(VA)）来访问内存，然后这个虚拟地址通过内存管理单元（Memory Management Unit(MMU)）转换成物理地址之后被送到存储器。
前面我们已经看到可执行文件被映射到了内存中，Linux 为每个进程维持了一个单独的虚拟地址空间，包括了 .text、.data、.bss、栈（stack）、堆（heap），共享库等内容。
32 位系统有 4GB 的地址空间，其中 0x08048000~0xbfffffff 是用户空间（3GB），0xc0000000~0xffffffff 是内核空间（１GB）。
栈与调用约定
栈
栈是一个先入后出（First In Last Out(FIFO)）的容器。用于存放函数返回地址及参数、临时变量和有关上下文的内容。程序在调用函数时，操作系统会自动通过压栈和弹栈完成保存函数现场等操作，不需要程序员手动干预。
栈由高地址向低地址增长，栈保存了一个函数调用所需要的维护信息，称为堆栈帧（Stack Frame）在 x86 体系中，寄存器 ebp 指向堆栈帧的底部，esp 指向堆栈帧的顶部。压栈时栈顶地址减小，弹栈时栈顶地址增大。
PUSH：用于压栈。将esp减 4，然后将其唯一操作数的内容写入到esp指向的内存地址POP：用于弹栈。从esp指向的内存地址获得数据，将其加载到指令操作数（通常是一个寄存器）中，然后将esp加 4。
x86 体系下函数的调用总是这样的：
- 把所有或一部分参数压入栈中，如果有其他参数没有入栈，那么使用某些特定的寄存器传递。
- 把当前指令的下一条指令的地址压入栈中。
- 跳转到函数体执行。
其中第 2 步和第 3 步由指令 call 一起执行。跳转到函数体之后即开始执行函数，而 x86 函数体的开头是这样的：
push ebp：把ebp压入栈中（old ebp）。mov ebp, esp：ebp=esp（这时ebp指向栈顶，而此时栈顶就是old ebp）- [可选]
sub esp, XXX：在栈上分配 XXX 字节的临时空间。 - [可选]
push XXX：保存名为 XXX 的寄存器。
把ebp压入栈中，是为了在函数返回时恢复以前的ebp值，而压入寄存器的值，是为了保持某些寄存器在函数调用前后保存不变。函数返回时的操作与开头正好相反：
- [可选]
pop XXX：恢复保存的寄存器。 mov esp, ebp：恢复esp同时回收局部变量空间。pop ebp：恢复保存的ebp的值。ret：从栈中取得返回地址，并跳转到该位置。
栈帧对应的汇编代码：
PUSH ebp ; 函数开始（使用ebp前先把已有值保存到栈中）
MOV ebp, esp ; 保存当前esp到ebp中
... ; 函数体
; 无论esp值如何变化，ebp都保持不变，可以安全访问函数的局部变量、参数
MOV esp, ebp ; 将函数的其实地址返回到esp中
POP ebp ; 函数返回前弹出保存在栈中的ebp值
RET ; 函数返回并跳转
函数调用后栈的标准布局如下图：
我们来看一个例子：源码
#include<stdio.h>
int add(int a, int b) {
int x = a, y = b;
return (x + y);
}
int main() {
int a = 1, b = 2;
printf("%d\n", add(a, b));
return 0;
}
使用 gdb 查看对应的汇编代码：
gdb-peda$ disassemble main
Dump of assembler code for function main:
0x00000563 <+0>: lea ecx,[esp+0x4]
0x00000567 <+4>: and esp,0xfffffff0
0x0000056a <+7>: push DWORD PTR [ecx-0x4]
0x0000056d <+10>: push ebp
0x0000056e <+11>: mov ebp,esp
0x00000570 <+13>: push ebx
0x00000571 <+14>: push ecx
0x00000572 <+15>: sub esp,0x10
0x00000575 <+18>: call 0x440 <__x86.get_pc_thunk.bx>
0x0000057a <+23>: add ebx,0x1a86
0x00000580 <+29>: mov DWORD PTR [ebp-0x10],0x1
0x00000587 <+36>: mov DWORD PTR [ebp-0xc],0x2
0x0000058e <+43>: push DWORD PTR [ebp-0xc]
0x00000591 <+46>: push DWORD PTR [ebp-0x10]
0x00000594 <+49>: call 0x53d <add>
0x00000599 <+54>: add esp,0x8
0x0000059c <+57>: sub esp,0x8
0x0000059f <+60>: push eax
0x000005a0 <+61>: lea eax,[ebx-0x19b0]
0x000005a6 <+67>: push eax
0x000005a7 <+68>: call 0x3d0 <printf@plt>
0x000005ac <+73>: add esp,0x10
0x000005af <+76>: mov eax,0x0
0x000005b4 <+81>: lea esp,[ebp-0x8]
0x000005b7 <+84>: pop ecx
0x000005b8 <+85>: pop ebx
0x000005b9 <+86>: pop ebp
0x000005ba <+87>: lea esp,[ecx-0x4]
0x000005bd <+90>: ret
End of assembler dump.
gdb-peda$ disassemble add
Dump of assembler code for function add:
0x0000053d <+0>: push ebp
0x0000053e <+1>: mov ebp,esp
0x00000540 <+3>: sub esp,0x10
0x00000543 <+6>: call 0x5be <__x86.get_pc_thunk.ax>
0x00000548 <+11>: add eax,0x1ab8
0x0000054d <+16>: mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8]
0x00000550 <+19>: mov DWORD PTR [ebp-0x8],eax
0x00000553 <+22>: mov eax,DWORD PTR [ebp+0xc]
0x00000556 <+25>: mov DWORD PTR [ebp-0x4],eax
0x00000559 <+28>: mov edx,DWORD PTR [ebp-0x8]
0x0000055c <+31>: mov eax,DWORD PTR [ebp-0x4]
0x0000055f <+34>: add eax,edx
0x00000561 <+36>: leave
0x00000562 <+37>: ret
End of assembler dump.
这里我们在 Linux 环境下，由于 ELF 文件的入口其实是 _start 而不是 main()，所以我们还应该关注下面的函数：
gdb-peda$ disassemble _start
Dump of assembler code for function _start:
0x00000400 <+0>: xor ebp,ebp
0x00000402 <+2>: pop esi
0x00000403 <+3>: mov ecx,esp
0x00000405 <+5>: and esp,0xfffffff0
0x00000408 <+8>: push eax
0x00000409 <+9>: push esp
0x0000040a <+10>: push edx
0x0000040b <+11>: call 0x432 <_start+50>
0x00000410 <+16>: add ebx,0x1bf0
0x00000416 <+22>: lea eax,[ebx-0x19d0]
0x0000041c <+28>: push eax
0x0000041d <+29>: lea eax,[ebx-0x1a30]
0x00000423 <+35>: push eax
0x00000424 <+36>: push ecx
0x00000425 <+37>: push esi
0x00000426 <+38>: push DWORD PTR [ebx-0x8]
0x0000042c <+44>: call 0x3e0 <__libc_start_main@plt>
0x00000431 <+49>: hlt
0x00000432 <+50>: mov ebx,DWORD PTR [esp]
0x00000435 <+53>: ret
0x00000436 <+54>: xchg ax,ax
0x00000438 <+56>: xchg ax,ax
0x0000043a <+58>: xchg ax,ax
0x0000043c <+60>: xchg ax,ax
0x0000043e <+62>: xchg ax,ax
End of assembler dump.
调用约定
堆与内存管理
堆
堆是用于存放除了栈里的东西之外所有其他东西的内存区域，当使用 malloc() 和 free() 时就是在操作堆中的内存。对于堆来说，释放工作由程序员控制，容易产生 memory leak。
堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。