0°

Windows内存管理机制及C++内存分配实例(六):堆栈

 

·使用场合
操作系统为每个线程都建立一个默认堆栈,大小为1M。这个堆栈是供函数调用时使用,线程内函数里的各种静态变量都是从这个默认堆栈里分配的。
·堆栈结构
默认1M的线程堆栈空间的结构举例如下,其中,基地址为0x0004 0000,刚开始时,CPU的堆栈指针寄存器保存的是栈顶的第一个页面地址0x0013 F000。第二页面为保护页面。这两页是已经分配物理存储器的可用页面。
随着函数的调用,系统将需要更多的页面,假设需要另外5页,则给这5页提交内存,删除原来页面的保护页面属性,最后一页赋予保护页面属性。
当分配倒数第二页0x0004 1000时,系统不再将保护属性赋予它,相反,它会产生堆栈溢出异常STATUS_STACK_OVERFLOW,如果程序没有处理它,则线程将退出。最后一页始终处于保留状态,也就是说可用堆栈数是没有1M的,之所以不用,是防止线程破坏栈底下面的内存(通过违规访问异常达到目的)。


当程序的函数里分配了临时变量时,编译器把堆栈指针递减相应的页数目,堆栈指针始终都是一个页面的整数倍。所以,当编译器发现堆栈指针位于保护页面之下时,会插入堆栈检查函数,改变堆栈指针及保护页面。这样,当程序运行时,就会分配物理内存,而不会出现访问违规。

·使用例子
改变堆栈默认大小:
有两个方法,一是在CreateThread()时传一个参数进去改变;
二是通过链接命令:
#pragma comment(linker,"/STACK:102400000,1024000")
第一个值是堆栈的保留空间,第二个值是堆栈开始时提交的物理内存大小。本文将堆栈改变为100M。
堆栈溢出处理:
如果出现堆栈异常不处理,则导致线程终止;如果你只做了一般处理,内存结构已经处于破坏状态,因为已经没有保护页面,系统没有办法再抛出堆栈溢出异常,这样的话,当再次出现溢出时,会出现访问违规操作STATUS_ACCESS_VIOLATION,这是线程将被系统终止。解决办法是,恢复堆栈的保护页面。请看以下例子:
C++程序如下:
bool handle=true;
static MEMORY_BASIC_INFORMATION mi;
LPBYTE lpPage;
//得到堆栈指针寄存器里的值
_asm mov lpPage, esp;
// 得到当前堆栈的一些信息
VirtualQuery(lpPage, &mi, sizeof(mi));
//输出堆栈指针
printf("堆栈指针=%x/n",lpPage);
// 这里是堆栈的提交大小
printf("已用堆栈大小=%d/n",mi.RegionSize);
printf("堆栈基址=%x/n",mi.AllocationBase);
for(int i=0;i<2;i++)
{
__try
{
__try
{
__try
{
cout<<"**************************"<<endl;
//如果是这样静态分配导致的堆栈异常,系统默认不抛出异常,捕获不到
//char a[1024*1024];
//动态分配栈空间,有系统调用Alloca实现,自动释放
Add(1000);
//系统可以捕获违规访问
int * p=(int*)0xC00000000;
*p=3;
cout<<"执行结束"<<endl;
}
__except(GetExceptionCode()==STATUS_ACCESS_VIOLATION ? EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER : EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH)
{
cout<<"Excpetion 1"<<endl;
}
}
__except(GetExceptionCode()==STATUS_STACK_OVERFLOW ? EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER : EXCEPTION_CONTINUE_SEARCH)
{
cout<<"Exception 2"<<endl;
if(handle)
{
//做堆栈破坏状态恢复
LPBYTE lpPage;
static SYSTEM_INFO si;
static MEMORY_BASIC_INFORMATION mi;
static DWORD dwOldProtect;
// 得到内存属性
GetSystemInfo(&si);
// 得到堆栈指针
_asm mov lpPage, esp;
// 查询堆栈信息
VirtualQuery(lpPage, &mi, sizeof(mi));
printf("坏堆栈指针=%x/n",lpPage);
// 得到堆栈指针对应的下一页基址
lpPage = (LPBYTE)(mi.BaseAddress)-si.dwPageSize;
printf("已用堆栈大小=%d/n",mi.RegionSize);
printf("坏堆栈基址=%x/n",mi.AllocationBase);
//释放准保护页面的下面所有内存
if (!VirtualFree(mi.AllocationBase,(LPBYTE)lpPage – (LPBYTE)mi.AllocationBase,MEM_DECOMMIT))
{         
exit(1);
}
// 改页面为保护页面
if (!VirtualProtect(lpPage, si.dwPageSize, PAGE_GUARD | PAGE_READWRITE, &dwOldProtect))
{
exit(1);
}
}
printf("Exception handler %lX/n", _exception_code());
}
}
__except(EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER)
{
cout<<"Default handler"<<endl;
}
}
cout<<"正常执行"<<endl;
//分配空间,耗用堆栈
char c[1024*800];
printf("c[0]=%x/n",c);
printf("c[1024*800]=%x/n",&c[1024*800-1]);
}

void ThreadStack::Add(unsigned long a)
{
//深递归,耗堆栈
char b[1000];
if(a==0)
return;
Add(a-1);
}

程序运行结果如下:

可以看见,在执行递归前,堆栈已被用了800多K,这些是在编译时就静态决定了。它们不再占用进程空间,因为堆栈占用了默认的1M进程空间。分配是从栈顶到栈底的顺序。
当第一次递归调用后,系统捕获到了它的溢出异常,然后堆栈指针自动恢复到原来的指针值,并且在异常处理里,更改了保护页面,确保第二次递归调用时不会出现访问违规而退出线程,但是,它仍然会导致堆栈溢出,需要动态的增加堆栈大小,本文没有对这个进行研究,但是试图通过分配另外内存区,改变堆栈指针,但是没有奏效。
注意:在一个线程里,全局变量加上任何一个函数里的临时变量,如果超过堆栈大小,当调用这个函数时,都会出现堆栈溢出,这种溢出系统不会抛出堆栈溢出异常,而直接导致线程退出。
对于函数1调用函数2,而函数n-1又调用函数n的嵌套调用,每层调用不算临时变量将损失240字节,所以默认线程最多有1024*(1024-2)/240=4360次调用。加上函数本身有变量,这个数目会大大减少。
至此,内存管理机制完全介绍完毕! 谢谢光顾!

「点点赞赏,手留余香」

    还没有人赞赏,快来当第一个赞赏的人吧!