堆和棧的區別
一、預備知識—程序的內存分配
一個由c/C++編譯的程序佔用的內存分爲以下幾個部分
1、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。其操作方式類似於數據結構中的棧。
2、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，分配方式倒是類似於鏈表，呵呵。
3、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。 - 程序結束後有系統釋放
4、文字常量區—常量字符串就是放在這裏的。 程序結束後由系統釋放
5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。
二、例子程序
這是一個前輩寫的，非常詳細
//main.cpp
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"; 123456/0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"); 123456/0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。
}
二、堆和棧的理論知識
2.1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; 系統自動在棧中爲b開闢空間
heap:
需要程序員自己申請，並指明大小，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。
2.2
申請後系統的響應
棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，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閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，
會 遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，然後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大多數系統，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，由於找到的堆結點的大小不一定正好等於申請的大 小，系統會自動的將多餘的那部分重新放入空閒鏈表中。
2.3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餘空間時，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。這是由於系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於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。
2.4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。
2.5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後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，然後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然後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後，局部變量先出棧，然後是參數，最後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。
2.6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，在以後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。
比如：
#include
void main()
{
char a = 1;
char c[] = "1234567890";
char *p ="1234567890";
a = c[1];
a = p[1];
return;
}
對應的彙編代碼
10: a = c[1];
00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]
0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl
11: 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。
2.7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裏吃飯，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。
使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜餚，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，如果你連堆棧是什麼多不知道的話，請先閱讀文章後面的基礎知識。
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。那麼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。
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 <stdio.h>
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/n",&v1); //打印各本地變量的內存地址
printf("0x%08x/n",&v2);
printf("0x%08x/n/n",&v3);
printf("0x%08x/n",&g1); //打印各全局變量的內存地址
printf("0x%08x/n",&g2);
printf("0x%08x/n/n",&g3);
printf("0x%08x/n",&s1); //打印各靜態變量的內存地址
printf("0x%08x/n",&s2);
printf("0x%08x/n/n",&s3);
return 0;
}
編譯後的執行結果是：
0x0012ff78
0x0012ff7c
0x0012ff80
0x004068d0
0x004068d4
0x004068d8
0x004068dc
0x004068e0
0x004068e4
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 續分佈的，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。這是因爲本地變量和全局/靜態變量是分配在不 同類型的內存區域中的結果。對於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，靜態數據區和動態數據區。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 棧是一個先進後出的數據結構，棧頂地址總是小於等於棧的基地址。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瞭解。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，後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 <stdio.h>
void __stdcall func(int param1,int param2,int param3)
{
int var1=param1;
int var2=param2;
int var3=param3;
printf("0x%08x/n",¶m1); //打印出各個變量的內存地址
printf("0x%08x/n",¶m2);
printf("0x%08x/n/n",¶m3);
printf("0x%08x/n",&var1);
printf("0x%08x/n",&var2);
printf("0x%08x/n/n",&var3);
return;
}
int main()
{
func(1,2,3);
return 0;
}
編譯後的執行結果是：
0x0012ff78
0x0012ff7c
0x0012ff80
0x0012ff68
0x0012ff6c
0x0012ff70
├———————┤<—函數執行時的棧頂（ESP）、低端內存區域
│ …… │
├———————┤
│ var 1 │
├———————┤
│ var 2 │
├———————┤
│ var 3 │
├———————┤
│ RET │
├———————┤<—“__cdecl”函數返回後的棧頂（ESP）
│ parameter 1 │
├———————┤
│ parameter 2 │
├———————┤
│ parameter 3 │
├———————┤<—“__stdcall”函數返回後的棧頂（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，三個參數以從又到左的次序壓入堆棧，先壓“param3”，再壓“param2”，最後壓入“param1”； 然後壓入函數的返回地址(RET)，接着跳轉到函數地址接着執行（這裏要補充一點，介紹UNIX下的緩衝溢出原理的文章中都提到在壓入RET後，繼續壓入 當前EBP，然後用當前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，並未發現這一步，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，爲本地變量分配內 存空間，上例中是減去12字節(ESP=ESP-3*4，每個int變量佔用4個字節)；接着就初始化本地變量的內存空間。由於“__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，先回收本地變量佔用的內存(ESP=ESP+3*4)，然後取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先 前壓入參數佔用的內存(ESP=ESP+3*4)，繼續執行調用者的代碼。參見下列彙編代碼：
;--------------func 函數的彙編代碼-------------------
: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，恢復參數佔用的內存空間
;如果是“__cdecl”的話，這裏是“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，將在這裏恢復堆棧，“add esp, 0000000C”
聰明的讀者看到這裏，差不多就明白緩衝溢出的原理了。先來看下面的代碼：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
void __stdcall func()
{
char lpBuff[8]="/0";
strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
return;
}
int main()
{
func();
return 0;
}
編 譯後執行一下回怎麼樣？哈，“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"內存。該內存不能爲"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。"lpBuff"的大小隻有8字節，算進結尾的/0，那 strcat最多隻能寫入7個"A"，但程序實際寫入了11個"A"外加1個/0。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，接着是一個覆蓋RET的數據，緊接着是一段shellcode，那隻要着個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，那麼要構造這個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指令的範圍
├———————┤
│ NOP │
│ …… │<—填入的NOP指令，是RET可指向的範圍
│ 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。瞭解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 <stdio.h>
#include <iostream.h>
#include <windows.h>
void func()
{
char *buffer=new char[128];
char bufflocal[128];
static char buffstatic[128];
printf("0x%08x/n",buffer); //打印堆中變量的內存地址
printf("0x%08x/n",bufflocal); //打印本地變量的內存地址
printf("0x%08x/n",buffstatic); //打印靜態變量的內存地址
}
void main()
{
func();
return;
}
程序執行結果爲：
0x004107d0
0x0012ff04
0x004068c0
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 銷燬一個堆對象
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，系統會自動爲進程創建一個默認堆，這個堆默認所佔內存的大小爲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究竟是什麼呢？它的值有什麼意義嗎？看看下面這段代碼吧：
#pragma comment(linker,"/entry:main") //定義程序的入口
#include <windows.h>
_CRTIMP int (__cdecl *printf)(const char *, ...); //定義STL函數printf
/*---------------------------------------------------------------------------
寫到這裏，我們順便來複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，由於這裏參數的個數是動態的，所以必須由調用者來平衡堆棧，這裏便使用了__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，這是由於它的參數個 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/n",hHeap);
printf("0x%08x/n",buff);
printf("0x%08x/n/n",buff2);
}
執行結果爲：
0x00130000
0x00133100
0x00133118
hHeap 的值怎麼和那個buff的值那麼接近呢？其實hHeap這個句柄就是指向HEAP首部的地址。在進程的用戶區存着一個叫PEB(進程環境塊)的結構，這個 結構中存放着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。
最後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，這些調整對於程序來說是透明的，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 <stdio.h>
int main()
{
int a;
char b;
int c;
printf("0x%08x/n",&a);
printf("0x%08x/n",&b);
printf("0x%08x/n",&c);
return 0;
}
這是用VC編譯後的執行結果：
0x0012ff7c
0x0012ff7b
0x0012ff80
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++編譯後的執行結果：
0x0022ff7c
0x0022ff7b
0x0022ff74
變量在內存中的順序：c(4字節)-中間相隔3字節-b(佔1字節)-a(4字節)。
這是用lcc編譯後的執行結果：
0x0012ff6c
0x0012ff6b
0x0012ff64
變量在內存中的順序：同上。
三個編譯器都做到了數據對齊，但是後兩個編譯器顯然沒VC“聰明”，讓一個char佔了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爲棧頂，另一端稱爲棧底，對堆棧的插入和刪除操作被稱 爲入棧和出棧。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執行完當前的指令後，從 EIP寄存器中讀取下一條指令的內存地址，然後繼續執行。
本文來自CSDN博客，轉載請標明出處：http://blog.csdn.net/hillgong/archive/2009/02/06/3866878.aspx
