程式设计师的自我修养 Chapter 10 記憶體
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本章涵盖程式执行时的记忆体配置，包括堆叠和堆积的管理和演算法，以及函式呼叫的惯例和参数传递。探讨了不同操作系统（如尝颈苍耻虫和奥颈苍诲辞飞蝉）中堆积的管理方式，并介绍了常见的堆积分配演算法。最后，提供了相关的实作参考。
程式设计师的自我修养 Chapter 10 記憶體
- 1. 程式设计师的自我修养 Chapter 10 記憶體 Shu-Yu Fu (shuyufu@gmail.com)
- 2. 本章概述 本章討論程式執行時Stack和heap的配置！ ● 藉由觀察stack的變化導出Calling convention， 然後函式如何傳遞返回值！ ● 除了比較heap在Linux和Windows上的實作外， 我們還會討論heap管理演算法！ ● PS︰記得參考這篇產生你的assembly code+C code How to get gcc to interleave assembly output with original source code Using GCC to produce readable assembly?
- 3. 程式的記憶體配置 Flat memory model or linear memory model refers to a memory addressing paradigm in low-level software design such that the CPU can directly (and sequentially/linearly) address all of the available memory locations without having to resort to any sort of memory segmentation or paging schemes. int *p = (int *)0x12345678; ++*p; ● 記憶體空間"預設"的區域︰ ○ 堆疊﹙stack﹚ ○ 堆積﹙heap﹚ ○ ELF / dynamic libraries / reserved
- 4. 程式的記憶體配置 Flat memory model or linear memory model refers to a memory addressing paradigm in low-level software design such that the CPU can directly (and sequentially/linearly) address all of the available memory locations without having to resort to any sort of memory segmentation or paging schemes. int *p = (int *)0x12345678; ++*p; ● 記憶體空間"預設"的區域︰ ○ 堆疊﹙stack﹚ ○ 堆積﹙heap﹚ ○ ELF / dynamic libraries / reserved
- 5. 堆疊與呼叫慣例 ● 在i386下，esp暫存器指向堆疊頂端 ● 堆疊保存了一個函式呼叫所需要的維護資訊， 常被稱為堆疊框架﹙stack frame﹚或活動記 錄﹙activate record﹚ ○ 函式的傳回位址和參數 ○ 臨時變數 ○ 保存的上下脈絡 ● ESP暫存器始終指向堆疊頂部，EBP﹙又稱為 框架指標Frame Pointer﹚指向函式活動記錄的 一個固定位置。
- 6. 堆疊與呼叫慣例 ● 在i386下，esp暫存器指向堆疊頂端 ● 堆疊保存了一個函式呼叫所需要的維護資訊， 常被稱為堆疊框架﹙stack frame﹚或活動記 錄﹙activate record﹚ ○ 函式的傳回位址和參數 ○ 臨時變數 ○ 保存的上下脈絡 ● ESP暫存器始終指向堆疊頂部，EBP﹙又稱為 框架指標Frame Pointer﹚指向函式活動記錄的 一個固定位置。
- 7. 呼叫一個函式 1. 把所有或一部分參數推入堆疊中，如果有其他 參數沒有入堆疊，那麼使用某些特定的暫存器 傳遞 2. 把當前指令的下一條指令的位址推入堆疊中 3. 跳轉到函式體執行
- 8. 呼叫一個函式 1. 把所有或一部分參數推入堆疊中，如果有其他 參數沒有入堆疊，那麼使用某些特定的暫存器 傳遞 2. 把當前指令的下一條指令的位址推入堆疊中 3. 跳轉到函式體執行
- 9. 函式的開始與結束 HIGH LOW EBP ESP
- 10. 函式的開始與結束 HIGH LOW E B P EBP ESP
- 11. 函式的開始與結束 HIGH LOW E B P ESP EBP
- 12. 函式的開始與結束 HIGH LOW E V V V B A A A P R R R ESP EBP
- 13. 函式的開始與結束 HIGH LOW E V V V R R B A A A E E P R R R G G ESP EBP
- 14. 函式的開始與結束 HIGH LOW E V V V B A A A P R R R ESP EBP
- 15. 函式的開始與結束 HIGH LOW E V V V B A A A P R R R ESP EBP
- 16. 函式的開始與結束 HIGH LOW V V V A A A R R R EBP ESP
- 17. 小知識 ● 未初始化的區域變數的初始化成0xcccccccc ● Hot Patch Prologue More: 3.13 Hotpatch Support 在GCC對應的實作為ms_hook_prologue
- 18. 呼叫慣例 int foo(int n, float m) { int a = 0, b = 0; ... } ● 先推入n後推入m？ ● 呼叫方和被呼叫方對於呼叫的約定 ○ 參數的傳遞順序﹙左先？右先？﹚和方式﹙堆疊？暫 存器？﹚ ○ 堆疊的維護方式，由呼叫方或被呼叫方維護 ○ 名稱修飾﹙name-mangling﹚的策略，對呼叫慣例進 行區分
- 19. 列表 呼叫慣例 出堆疊方 參數傳遞 名稱修飾 cdecl 函式呼叫方 從右至左的順序推參數 底線+函式名 入堆疊 stdcall 函式本身 從右至左的順序推參數 底線+函式名+@+參數的位元 入堆疊 組數，如函式int func(int a, double b)的修飾名是 _func@12 fastcall 函式本身 頭兩個DWORD(4位元組) @+函式名+@+參數的位元組 類型或者占更少位元組 數 的參數被放入暫存器，其 他剩下的參數按右到左 的順序推入堆疊 pascal 函式本身 從左至右的順序推參數 較為複雜，參見pascal文件 入堆疊
- 20. 更多的呼叫慣例 ● 用於特殊場合naked call ● C++更複雜的名稱修飾策略和thiscall ○ VC，this存放於ecx暫存器 ○ GCC，this是函式的第一個參數
- 21. 函式傳回值傳遞 ● eax是傳遞傳回值的通道 ● 大於4-byte的傳回值如何傳遞？ ○ 5-byte ~ 8-byte採eax(low-byte)和edx(high-byte)聯合 傳回 ○ > 8-byte，用隱含參數+eax ● 可以不懂過程，但，要記得不要輕易傳回大尺 寸的物件 ● C++提出了傳回值最佳化﹙Return Value Optimization, RVO﹚，可以將某些場合下的 物件複製減少1次
- 22. 堆積與記憶體管理 ● 為什麼需要堆積？ ○ 動態產生 ○ 堆疊上的資料在函式傳回時就會被釋放，那main()裡的 區域變數呢？ ● 把配置和釋放做在作業系統核心 ○ 每次都要系統呼叫，效能太差 ● 應用程式自行管理，多數的情況是執行階段程式庫管理 ○ 配置 ○ 管理，堆積的分配演算法
- 23. Linux行程堆積管理 ● brk系統呼叫，設定行程資料區段的結束位址 int brk(void * end_data_segment); ● mmap系統呼叫，申請一段虛擬位址空間 void * mmap(void * start, // 起始位址 size_t length, // 長度 int prot, // 權限﹙讀/寫/執行﹚ int flags, // 類型﹙檔案/匿名﹚ int fd, // fd...XD off_t offset); // 偏移量 ● malloc一次能夠申請的最大空間是多少？ ○ Demo
- 24. Windows行程堆積管理 ● VirtualAlloc()用來向系統申請空間，應用程式 可以按照需要隨意使用。 ● 堆積管理器﹙Heap Manager﹚實作了空間分 配演算法。 ○ NTDLL.DLL︰HeapCreate﹑HeapAlloc﹑HeapFree﹑HeapDestroy ● 預設1MB，可透過連結器的/HEAP參數指定 ● 最大的一塊大約是1.5GB
- 25. 堆積分配演算法 ● 堆積只是程式向作業系統申請劃出來的一塊 位址空間 ● 如何管理一大塊連續的記憶體空間並按照需 求分配﹑釋放空間。 ○ 空間串列 ○ 點陣圖 ○ 物件集區
- 29. 現實應用 ● 堆積分配演算法往往採取多演算法複合而成 ● 以glibc來講， ○ < 64-byte︰物件集區 ○ < 512-byte︰物件集區和最佳適配演算法的最佳折衷 ○ < 128-KB︰最佳適配演算法 ○ > 128-KB︰mmap() ● More: glibc中malloc的详细解释
- 30. 參考實作 ● jemalloc http://www.canonware. com/jemalloc/ ● nedmalloc http://www.nedprod. com/programs/portable/nedmalloc /