Question

我一直在浏览一段时间，我正在尝试了解内存如何分配到堆栈中，例如：

push rax

或移动堆栈指针为子例程的局部变量分配空间：

sub rsp, X    ;Move stack pointer down by X bytes

据我所知，堆栈段在虚拟内存空间中是匿名的，即不支持文件。

我还理解的是，内核实际上不会将匿名虚拟内存段映射到物理内存，直到程序实际对该内存段执行某些操作，即写入数据。因此，在写入之前尝试读取该段可能会导致错误。

在第一个示例中，如果需要，内核将在物理内存中分配帧页面。在第二个示例中，我假设内核不会将任何物理内存分配给堆栈段，直到程序实际将数据写入堆栈堆栈段中的地址。

我在这里走在正确的轨道上吗？

Answer 1

我在这里走在正确的轨道上吗？

是的，非常接近。

因此，在写入之前尝试读取该段可能会导致错误。

不，读取不会导致错误。从未写过的匿名页面是写入时复制映射到/物理零页面，无论它们是在BSS，堆栈还是mmap(MAP_ANONYMOUS)。

有趣的事实：在微基准测试中，请确保触摸输入数组的每一页内存，否则您实际上会反复循环遍历同一物理4k或2M页面的零，即使您仍然仍然会获得L1D缓存命中得到TLB未命中（和软页错误）！ gcc会将malloc + memset（0）优化为calloc，但std::vector实际上会写入所有内存，无论你是否想要它。全局数组上的memset未进行优化，因此可行。（或者非零初始化数组将在数据段中进行文件支持。）

注意，我忽略了映射与有线之间的区别。即，访问是否会触发软页面错误以更新页面表，或者它是否仅仅是TLB未命中，并且硬件页表行走将找到映射（到零页面）。

堆栈内存有一个有趣的转折：堆栈大小限制类似于8MB（ulimit -s），但在Linux中，进程的第一个线程的初始堆栈是特殊的。例如，我在_start中设置了一个hello-world（动态链接）可执行文件中的断点，并查看/proc/<PID>/smaps：

7ffffffde000-7ffffffff000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
Size:                132 kB
Rss:                   8 kB
Pss:                   8 kB
Shared_Clean:          0 kB
Shared_Dirty:          0 kB
Private_Clean:         0 kB
Private_Dirty:         8 kB
Referenced:            8 kB
Anonymous:             8 kB
...

仅引用了8kiB堆栈，并由物理页面支持。这是预料之中的，因为动态链接器不会使用大量的堆栈。

只有132kiB的堆栈甚至被映射到进程的虚拟地址空间。但是特殊的魔法会阻止mmap(NULL, ...)随机选择8MiB虚拟地址空间内的页面，堆栈可能会增长到

触摸当前堆栈映射下方但在堆栈限制内的内存 causes the kernel to grow the stack mapping（在页面错误处理程序中）。（但仅在首先调整rsp时; red-zone仅比rsp低128个字节，因此ulimit -s unlimited不会使触摸内存低于rsp增长1GB堆栈到那里，but it will if you decrement rsp to there and then touch memory。）

这仅适用于初始线程的堆栈。 pthreads只使用mmap(MAP_ANONYMOUS|MAP_STACK)来映射无法增长的8MiB块。（MAP_STACK目前是无操作。）所以线程堆栈在分配后不能增长（除非MAP_FIXED手动，如果它们下面有空格），并且不受ulimit -s unlimited的影响

mmap(MAP_GROWSDOWN)不存在阻止其他事物在堆栈增长区域中选择地址的魔法，因此do not use it to allocate new thread stacks。（否则你最终可能会因使用新堆栈下方的虚拟地址空间而无法增长）。只需分配完整的8MiB即可。另请参阅Where are the stacks for the other threads located in a process virtual address space?。

MAP_GROWSDOWN确实有一个按需增长功能described in the mmap(2) man page，但没有增长限制（除了接近现有的映射），因此（根据手册页）它是基于在Windows使用的防护页面上，而不是主线程的堆栈。

触摸MAP_GROWSDOWN区域底部下方的多个页面可能会出现段错误（与Linux的主要线程堆栈不同）。针对Linux的编译器不会生成堆栈“探测器”以确保在大量分配（例如本地阵列或alloca）之后按顺序触摸每个4k页面，因此这是MAP_GROWSDOWN对堆栈不安全的另一个原因。 / p>

编译器会在Windows上发出堆栈探测。

（MAP_GROWSDOWN可能根本不起作用，请参阅@BeeOnRope's comment。用于任何事情从来都不是非常安全，因为如果映射增长接近其他东西，则堆栈冲突安全漏洞是可能的。所以只是不要使用MAP_GROWSDOWN进行任何操作。我将在提及中描述Windows使用的防护页面机制，因为知道Linux的主线程堆栈设计不是唯一的可能是有趣的。）

Answer 2

堆栈分配使用相同的虚拟内存机制来控制地址访问 pagefault 。即如果当前堆栈的边界为7ffd41ad2000-7ffd41af3000：

myaut@panther:~> grep stack /proc/self/maps                                                     
7ffd41ad2000-7ffd41af3000 rw-p 00000000 00:00 0      [stack]

然后，如果CPU尝试读取/写入地址7ffd41ad1fff（堆栈顶部边界前1个字节）的数据，它将生成 pagefault ，因为OS没有提供相应的已分配内存块（页面）。因此，push或任何其他以%rsp作为地址的内存访问命令将触发 pagefault 。

在pagefault处理程序中，内核将检查堆栈是否可以增长，如果是，它将分配页面支持错误地址（7ffd41ad1000-7ffd41ad2000）或触发SIGSEGV（如果超出堆栈ulimit）。

使用'push'或'sub'x86指令时如何分配堆栈内存？

2 个答案: