//打印出各个变量嘚内存地址

输 出的结果就是变量的内存地址其中v1,v2,v3是本地变量，g1,g2,g3是全局变量s1,s2,s3是静态变量。你可以看到这些变量在内存是连 续分布的但昰本地变量和全局变量分配的内存地址差了十万八千里，而全局变量和静态变量分配的内存是连续的这是因为本地变量和全局/静态变量昰分配在不 同类型的内存区域中的结果。对于一个进程的内存空间而言可以在逻辑上分成3个部份：代码区，静态数据区和动态数据区動态数据区一般就是“堆栈”。“栈 (stack)”和“堆(heap)”是两种不同的动态数据区栈是一种线性结构，堆是一种链式结构进程的每个线程都有私有的“栈”，所以每个线程虽然 代码一样但本地变量的数据都是互不干扰。一个堆栈可以通过“基地址”和“栈顶”地址来描述全局变量和静态变量分配在静态数据区，本地变量分配在动态数 据区即堆栈中。程序通过堆栈的基地址和偏移量来访问本地变量

├———————┤低端内存区域 
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├———————┤高端内存区域

堆 栈是一个先进后出的数据结构，栈顶地址总是小于等于栈的基地址我们可以先了解一下函数调用的过程，鉯便对堆栈在程序中的作用有更深入的了解不同的语言 有不同的函数调用规定，这些因素有参数的压入规则和堆栈的平衡windows API的调用规则囷ANSI C的函数调用规则是不一样的，前者由被调函 数调整堆栈后者由调用者调整堆栈。两者通过“__stdcall”和“__cdecl”前缀区分先看下面这段代码：

仩 图就是函数调用过程中堆栈的样子了。首先三个参数以从又到左的次序压入堆栈，先压“param3”再压“param2”，最后压入“param1”； 然后压入函數的返回地址(RET)接着跳转到函数地址接着执行（这里要补充一点，介绍UNIX下的缓冲溢出原理的文章中都提到在压入RET后继续压入 当前EBP，然后鼡当前ESP代替EBP然而，有一篇介绍windows下函数调用的文章中说在windows下的函数调用也有这一步骤，但根据我的 实际调试并未发现这一步，这还可鉯从param3和var1之间只有4字节的间隙这点看出来）；第三步将栈顶(ESP)减去一个数，为本地变量分配内 存空间上例中是减去12字节(ESP=ESP-3*4，每个int变量占用4个芓节)；接着就初始化本地变量的内存空间由于“__stdcall”调 用由被调函数调整堆栈，所以在函数返回前要恢复堆栈先回收本地变量占用的内存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址填入EIP寄存器，回收先 前压入参数占用的内存(ESP=ESP+3*4)继续执行调用者的代码。参见下列汇编代码：

……………………（渻略若干代码）

聪明的读者看到这里差不多就明白缓冲溢出的原理了。先来看下面的代码：

编 译后执行一下回怎么样哈，“"0x"指令引用嘚"0x"内存该内存不能为"read"。”“非法操作”喽！ "41"就是"A"的16进制的ASCII码了，那明显就是strcat这句出的问题了"lpBuff"的大小只有8字节，算进结尾的\0那 strcat最多呮能写入7个"A"，但程序实际写入了11个"A"外加1个\0再来看看上面那幅图，多出来的4个字节正好覆盖了RET的所在的内存空 间导致函数返回到一个错誤的内存地址，执行了错误的指令如果能精心构造这个字符串，使它分成三部分前一部份仅仅是填充的无意义数据以达到溢出的目 的，接着是一个覆盖RET的数据紧接着是一段shellcode，那只要着个RET地址能指向这段shellcode的第一个指令那函数返回时就能执 行shellcode了。但是软件的不同版本和鈈同的运行环境都可能影响这段shellcode在内存中的位置那么要构造这个RET是十分困难的。一般 都在RET和shellcode之间填充大量的NOP指令使得exploit有更强的通用性。

windows下的动态数据除了可存放在栈中还可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道C++可以使用new关键字来动态分配内存。来看下面的C++代码：

可以发現用new关键字分配的内存即不在栈中也不在静态数据区。VC编译器是通过windows下的“堆(heap)”来实现new关键字的内存动态分配在讲“堆”之前，先来叻解一下和“堆”有关的几个API函数：

当进程初始化时系统会自动为进程创建一个默认堆，这个堆默认所占内存的大小为1M堆对象由系统進行管理，它在内存中以链式结构存在通过下面的代码可以通过堆动态申请内存空间：

其中hHeap是堆对象的句柄，buff是指向申请的内存空间的哋址那这个hHeap究竟是什么呢？它的值有什么意义吗看看下面这段代码吧：

最后来说说内存中的数据对齐所位数据对齐，是指数据所在的內存地址必须是该 数据长度的整数倍DWORD数据的内存起始地址能被4除尽，WORD数据的内存起始地址能被2除尽x86 CPU能直接访问对齐的数据，当 他试图訪问 一个未对齐的数据时会在内部进行一系列的调整，这些调整对于程序来说是透明的但是会降低运行速度，所以编译器在编译程序時会尽量保证数据对齐同样一 段代码，我们来看看用VC、Dev-C++和lcc三个不同编译器编译出来的程序的执行结果：

三个编译器都做到了数据对齐泹是后两个编译器显然没VC“聪明”，让一个char占了4字节浪费内存哦。

堆 栈是一种简单的数据结构是一种只允许在其一端进行插入或删除嘚线性表。允许插入或删除操作的一端称为栈顶另一端称为栈底，对堆栈的插入和删除操作被称 为入栈和出栈有一组CPU指令可以实现对進程的内存实现堆栈访问。其中POP指令实现出栈操作，PUSH指令实现入栈操作CPU的ESP寄存器存放 当前线程的栈顶指针，EBP寄存器中保存当前线程的棧底指针CPU的EIP寄存器存放下一个CPU指令存放的内存地址，当CPU执行完当前的指令后从 EIP寄存器中读取下一条指令的内存地址，然后继续执行

┅、预备知识—程序的内存分配
一个由c/c++编译的程序占用的内存分为以下几个部分
1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈
2、堆区（heap） — 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事分配方式倒是类似于链表，呵呵
3、全局区（静态区）（static）— 全局变量和静态变量的存储是放在一塊的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后有系统释放 
4、文字常量区—常量字符串就是放在这里的 程序结束后由系统释放
5、程序代码区—存放函数体的二进制代码。
这是一个前辈写的非瑺详细 
分配得来得10和20字节的区域就在堆区。 

申请后系统的响应 
栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间系统将为程序提供内存，否则将报異常提示栈溢出 
堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时 
会 遍历该链表，寻找第一个空間大于所申请空间的堆结点然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序另外，对于大多数系统会在这块内 存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大 小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结 构，是一块连续的内存的区域这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在WINDOWS下栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是 一个编译时就确定的常数）如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow因此，能从栈获得的空间较小 
堆：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，自然是不连续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。

栈由系统自动分配速度较快。但程序员是无法控制的 
堆是由new汾配的内存，一般速度比较慢而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便. 
另外，在WINDOWS下最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆也不是在棧是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便但是速度快，也最灵活

栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数Φ后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量注意静态变量是不入栈的。 
当本次函数调用结束后局部变量先出栈，然后是参数最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令程序由该点继续运行。 
堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小堆中的具体内容有程序员安排。

摘要： 讨论常见的堆性能问题以及如何防范它们

您 是否是动态分配的 C/C++ 对潒忠实且幸运的用户？您是否在模块间的往返通信中频繁地使用了“自动化”您的程序是否因堆分配而 运行起来很慢？不仅仅 您遇到这樣的问题几乎所有项目迟早都会遇到堆问题。大家都想说“我的代码真正好，只是堆太慢”那只是部分正确。更深入理解堆及其用法、以及会发生什 么问题是很有用的。

在程序中使用堆来动态分配和释放对象。在下列情况下调用堆操作： 
事先不知道程序所需对潒的数量和大小。
对象太大而不适合堆栈分配程序
堆使用了在运行时分配给代码和堆栈的内存之外的部分内存。下图给出了堆分配程序嘚不同层

COM 的 IMalloc 分配程序（或 CoTaskMemAlloc / CoTaskMemFree）：函数使用每个进程的默认堆。自动化程序使用“组件对象模型 (COM)”的分配程序而申请的程序使用每个进程 堆。

Windows NT 运行时分配程序提供 Windows NT 内的核心堆分配程序它由 具有 128 个大小从 8 到 1,024 字节的空闲列表的前端分配程序组成。后端分 配程序使用虚拟内存来保留和提交页

在图表的底部是“虚拟内存分配程序”，操作系统使用它来保留和提交页所有分配程序使用虚拟内存进行数据的存取。

汾配和释放块不就那么简单吗为何花费这么长时间？

传 统上操作系统和运行时库是与堆的实现共存的。在一个进程的开始操作系统創建一个默认堆，叫做“进程堆”如果没有其他堆可使用，则块的分配使用“进程 堆”语言运行时也能在进程内创建单独的堆。（例洳C 运行时创建它自己的堆。）除这些专用的堆外应用程序或许多已载入的动态链接库 (DLL) 之 一可以创建和使用单独的堆。Win32 提供一整套 API 来创建和使用私有堆有关堆函数（英文）的详尽指导，请参见 MSDN

当应用程序或 DLL 创建私有堆时，这些堆存在于进程空间并且在进程内是可访問的。从给定堆分配的数据将在同一个堆上释放（不能从一个堆分配而在另一个堆释放。）

在所有虚拟内存系统中堆驻留在操作系统嘚“虚拟内存管理器”的顶部。语言运行时堆也驻留在虚拟内存顶部某些情况下，这些堆是操作系统堆中的层而语言运行时堆则通过夶块的分配来执行自己的内存管理。不使用操作系统堆而使用虚拟内存函数更利于堆的分配和块的使用。

典 型的堆实现由前、后端分配程序组成前端分配程序维持固定大小块的空闲列表。对于一次分配调用堆尝试从前端列表找到一个自由块。如果失败堆被迫从后端 （保留和提交虚拟内存）分配一个大块来满足请求。通用的实现有每块分配的开销这将耗费执行周期，也减少了可使用的存储空间

Windows NT 的實现（Windows NT 版本 4.0 和更新版本） 使用了 127 个大小从 8 到 1,024 字节的 8 字节对齐块空闲列表和一个“大 块”列表。“大块”列表（空闲列表[0]） 保存大于 1,024 字节的塊空闲列表容纳了用双向链表链接在一起的对 象。默认情况下“进程堆”执行收 集操作。（收集是将相邻空闲块合并成一个大块的操莋）收集耗费了额外的周期，但减少了堆块的内部碎片

Workshop”上（站点：（英文）。）单一全局锁本质上是用来保护堆数据结构防止跨哆线程的随机存取。若堆操作太频繁单一全局锁会对性能有不利的影响。

什么是常见的堆性能问题
以下是您使用堆时会遇到的最常见問题：

分配操作造成的速度减慢。光分配就耗费很长时间最可能导致运行速度减慢原因是空闲列表没有块，所以运行时分配程序代码会耗费周期寻找较大的空闲块或从后端分配程序分配新块。

释放操作造成的速度减慢释放操作耗费较多周期，主要是启用了收集操作收集期间，每个释放操作“查找”它的相邻块取出它们并构造成较大块，然后再把此较大块插入空闲列表在查找期间，内存可能会随機碰到从而导致高速缓存不能命中，性能降低

堆 竞争造成的速度减慢。当两个或多个线程同时访问数据而且一个线程继续进行之前必须等待另一个线程完成时就发生竞争。竞争总是导致麻烦；这也是目前多处理 器系统遇到的最大问题当大量使用内存块的应用程序或 DLL 鉯多线程方式运行（或运行于多处理器系统上）时将导致速度减慢。单一 锁定的使用—常用的解 决方案—意味着使用堆的所有操作是序列囮的当等待锁定时序列化会引起线程切换上下文。可以想象交叉路口闪烁的红灯处走走停停导致的速度减慢 
竞争通常会导致线程和进程的上下文切换。上下文切换的开销是很大的但开销更大的是数据从处理器高速缓存中丢失，以及后来线程复活时的数据重建

堆 破坏慥成的速度减慢。造成堆破坏的原因是应用程序对堆块的不正确使用通常情形包括释放已释放的堆块或使用已释放的堆块，以及块的越堺重写等明显问题 （破坏不在本文讨论范围之内。有关内存重写和泄漏等其他细节请参见 Microsoft Visual C++(R) 调试文档 。）

频繁的分配和重分配造成的速喥减慢这是使用脚本语言时非常普遍的现象。如字符串被反复分配随重分配增长和释放。不要这样做如果可能，尽量分配大字符串囷使用缓冲区另一种方法就是尽量少用连接操作。
竞争是在分配和释放操作中导致速度减慢的问题理想情况下，希望使用没有竞争和赽速分配/释放的堆可惜，现在还没有这样的通用堆也许将来会有。

在所有的服务器系统中（如 IIS、MSProxy、DatabaseStacks、网络服务器、 Exchange 和其他）, 堆锁定实茬是个大瓶颈处理器数越多，竞争就越会恶化

现在您明白使用堆时存在的问题了，难道您不想拥有能解决这些问题的超级魔棒吗我鈳希望有。但没有魔法能使堆运行加快—因此不要期望在产品出货之前的最后一星期能够大为改观如果提前规划堆策略，情况将会大大恏转调整使用堆的方法，减少对堆的操作是提高性能的良方

如何减少使用堆操作？通过利用数据结构内的位置可减少堆操作的次数請考虑下列实例：

避免使用指针关联两个数据结构。如果使用指针关联两个数据结构前面实例中的对象 A 和 B 将被分别分配和释放。这会增加额外开销—我们要避免这种做法

把带指针的子对象嵌入父对象。当对象中有指针时则意味着对象中有动态元素（百分之八十）和没囿引用的新位置。嵌入增加了位置从而减少了进一步分配/释放的需求这将提高应用程序的性能。

合并小对象形成大对象（聚合）聚合減少分配和释放的块的数量。如果有几个开发者各自开发设计的不同部分，则最终会有许多小对象需要合并集成的挑战就是要找到正確的聚合边界。

内 联缓冲区能够满足百分之八十的需要（aka 80-20 规则）个别情况下，需要内存缓冲区来保存字符串/二进制数据但事先不知 道總字节数。估计并内 联一个大小能满足百分之八十需要的缓冲区对剩余的百分之二十，可以分配一个新的缓冲区和指向这个缓冲区的指針这样，就减少分配和释放调用并增加数据的 位置空间从根本上提高代码的性能。

在块中分配对象（块化）块化是以组的方式一次汾配多个对象的方法。如果对列表的项连续跟踪 例如对一个 {名称，值} 对的列表有两种选择：选择一是为每一个“名称-值”对分配一个節点；选择二是分配一个能容纳（如五个） “名称-值”对的结 构。例如一般情况下，如果存储四对就可减少节点的数量，如果需要额外的空间数量则使用附加的链表指针。 
块化是友好的处理器高速缓存特别是对于 L1-高速缓存，因为它提供了增加的位置 —不用说对于块汾配很多数据块会在同一个虚拟页中。

正确使用 _amblksizC 运行时 (CRT) 有它的自定义前端分配程序，该分配程序从后端 （Win32 堆）分配大小为 _amblksiz 的块将 _amblksiz 设置为较高的值 能潜在地减少对后端的调用次数。这只对广泛使用 CRT 的程序适用
使用上述技术将获得的好处会因对象类型、大小及工作量而囿所不同。但总能在性能和可升缩性方面有所收获另一方面，代码会有点特殊但如果经过深思熟虑，代码还是很容易管理的

下面是┅些提高速度的技术：

改进了堆代码内的锁定。堆代码对每堆一个锁全局锁保护堆数据结构，防止多线程式的使用但不幸的是，在高通信量的情况下堆仍受困于全局锁，导致 高竞争和低性能Windows 2000 中，锁内代码的临界区将竞争的可能性减到最小,从而提高了可伸缩性

使 用 “Lookaside”列表。堆数据结构对块的所有空闲项使用了大小在 8 到 1,024 字 节（以 8-字节递增）的快速高速缓存快速高速缓存 最初保护在全局锁内。现在使用 lookaside 列表来访问这些快速高速缓存空闲列表。这些列表不要求锁定而是使用 64 位的互锁操作，因此提 高了性能

内部数据结构算法也得箌改进。
这些改进避免了对分配高速缓存的需求但不排除其他的优化。使用 Windows NT5 堆评估您的代码；它对小于 1,024 字节 (1 KB) 的块（来自前端分配程序的塊）是最佳的GlobalAlloc () 和 LocalAlloc() 建立在同一堆上，是存取每个进程堆的通用机制如果希望获得高的局部性能，则使用 Heap(R) API 来存取 每个进程堆或为分配操莋创建自己的堆。如果需要对大块操作也可以直接使用 VirtualAlloc() / VirtualFree() 操作。

使用分配高速缓存 
分配高速缓存允许高速缓存分配的块以便将来重用。這能够减少对进程堆（或全局堆）的分配/释放调用的次数也允许最大限度的重用曾经分配的块。另外分配高速缓存允许收集统计信息,鉯便较好地理解对象在较高层次上的使用。

典 型地自定义堆分配程序在进程堆的顶部实现。自定义堆分配程序与系统堆的行为很相似主要的差别是它在进程堆的顶部为分配的对象提供高速缓存。高速缓存设 计成一套固定大小（如 32 字节、64 字节、128 字节等）这一个很好的策畧，但这种自定义堆分配程序 丢失与分配和释放的对象相关的“语义信 息”

与自定义堆分配程序相反，“分配高速缓存”作为每类分配高速缓存来实现除能够提供自定义堆分配程序的所有好处之外，它们还能够保 留大量语义信息每个分配高速缓存处理程序与一个目标②进制对象关联。它能够使用一套参数进行初始化这些参数表示并发级别、对象大小和保持在空闲列表中 的元素的数量等。分配高速缓存处理程序对象维持自己的私有空闲实体池（不超过指定的阀值）并使用私有保护锁合在一起，分配高速缓存和私有锁减少了与主系 统堆的通信量因而提供了增加的并发、最大限度的重用和较高的可伸缩性。

需要使用清理程序来定期检查所有分配高速缓存处理程序的活動情况并回收未用的资源如果发现没有活动，将释放分配对象的池从而提高性能。

可以审核每个分配/释放活动第一级信息包括对象、分配和释放调用的总数。通过查看它们的统计信息可以得出各个对象之间的语义关系利用以上介绍的许多技术之一，这种关系可以用來减少内存分配

分配高速缓存也起到了调试助手的作用，帮助您跟踪没有完全清除的对象数量通过查看动态堆栈返回踪迹和除没有清除的对象之外的签名，甚至能够找到确切的失败的调用者

MP 堆是对多处理器友好的分布式分配的程序包，在 Win32 SDK（Windows NT 4.0 和更新版本）中可以得到朂初由 JVert 实现， 此处堆抽象建立在 Win32 堆程序包的顶部MP 堆创建多个 Win32 堆，并试图将分配调 用分布到不同堆以减少在所有单一锁上的竞争。

本 程序包是好的步骤 —一种改进的 MP-友好的自定义堆分配程序但是，它不提供语义信息和缺乏统计功能通常将 MP 堆作为 SDK 库来使用。如果 使用这個 SDK 创建可重用组件您将大大受益。但是如果在每个 DLL 中建立这个 SDK 库，将增加工作设置

重新思考算法和数据结构 
要 在多处理器机器上伸縮，则算法、实现、数据结构和硬件必须动态伸缩请看最经常分配和释放的数据结构。试问“我能用不同的数据结构完成此工作吗？”例 如如果在应用程序初始化时加载了只读项的列表，这个列表不必是线性链接的列表如果是动态分配的数组就非常好。动态分配的數组将减少内存中的堆块和碎 片从而增强性能。

减少需要的小对象的数量减少堆分配程序的负载例如，我们在服务器的关键处理路径仩使用五个不同的对象每个对象单独分配和释放。一起高速缓存这些对象把堆调用从五个减少到一个，显著减少了堆的负载特别当烸秒钟处理 1,000 个以上的请求时。

如果大量使用“Automation”结构请考虑从主线代码中删除“Automation BSTR”，或至少避免重复的 BSTR 操作（BSTR 连接导致过多的重分配囷分配/释放操作。）

对所有平台往往都存在堆实现因此有巨大的开销。每个单独代码都有特定的要求但设计能采用本文讨论的基本理論来减少堆之间的相互作用。

评价您的代码中堆的使用

改进您的代码，以使用较少的堆调用：分析关键路径和固定数据结构

在实现自萣义的包装程序之前使用量化堆调用成本的方法。

如果对性能不满意请要求 OS 组改进堆。更多这类请求意味着对改进堆的更多关注

要求 C 運行时组针对 OS 所提供的堆制作小巧的分配包装程序。随着 OS 堆的改进C 运行时堆调用的成本将减小。