一、預備知識—程序的內存分配

一個由c/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分
1、棧區(qū)（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。其操作方式類似于數據結構中的棧。
2、堆區(qū)（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，分配方式倒是類似于鏈表，呵呵。
3、全局區(qū)（靜態(tài)區(qū)）（static）—，全局變量和靜態(tài)變量的存儲是放在一塊的，初始化的全局變量和靜態(tài)變量在一塊區(qū)域， 未初始化的全局變量和未初始化的靜態(tài)變量在相鄰的另一塊區(qū)域。- 程序結束后有系統釋放
4、文字常量區(qū)—常量字符串就是放在這里的。程序結束后由系統釋放
5、程序代碼區(qū)—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(qū)
int?a?=?0;?//全局初始化區(qū)
char?*p1;?//全局未初始化區(qū)
main()?{
????int?b;?//棧
????char?s[]?=?"abc";?//棧
????char?*p2;?//棧
????char?*p3?=?"123456";?//123456\0在常量區(qū)，p3在棧上。
????static?int?c?=?0;?//全局（靜態(tài)）初始化區(qū)
????p1?=?(char?*)malloc(10);
????p2?=?(char?*)malloc(20);
????//分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。
????strcpy(p1,?"123456");?//123456\0放在常量區(qū)，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優(yōu)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; 系統自動在棧中為b開辟空間
heap:
需要程序員自己申請，并指明大小，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 申請后系統的響應

棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，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閑內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，
會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數系統，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，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部分重新放入空閑鏈表中。

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(xù)的內存的區(qū)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(guī)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余空間時，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(xù)的內存區(qū)域。這是由于系統是用鏈表來存儲的空閑內存地址的，自然是不連續(xù)的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于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后的下一條指令（函數調用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，然后是函數中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的。
當本次函數調用結束后，局部變量先出棧，然后是參數，最后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(xù)運行。
堆：一般是在堆的頭部用一個字節(jié)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，在以后的存取中，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;
}

對應的匯編代碼

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(qū)別可以用如下的比喻來看出：
使用棧就象我們去飯館里吃飯，只管點菜（發(fā)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肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由度大。

三 、windows進程中的內存結構

在閱讀本文之前，如果你連堆棧是什么多不知道的話，請先閱讀文章后面的基礎知識。

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。那么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(tài)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?
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(tài)變量的內存地址
????printf("0x%08x\n",&s2);
????printf("0x%08x\n\n",&s3);
????return?0;
}

編譯后的執(zhí)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(tài)變量。你可以看到這些變量在內存是連續(xù)分布的，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(tài)變量分配的內存是連續(xù)的。這是因為本地變量和全局/靜態(tài)變量是分配在不同類型的內存區(qū)域中的結果。對于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(qū)，靜態(tài)數據區(qū)和動態(tài)數據區(qū)。動態(tài)數據區(qū)一般就是“堆?！薄！皸?stack)”和“堆(heap)”是兩種不同的動態(tài)數據區(qū)，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“?！?，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(tài)變量分配在靜態(tài)數據區(qū)，本地變量分配在動態(tài)數據區(qū)，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(qū)域
│?……?│
├———————┤
│?動態(tài)數據區(qū)?│
├———————┤
│?……?│
├———————┤
│?代碼區(qū)?│
├———————┤
│?靜態(tài)數據區(qū)?│
├———————┤
│?……?│
├———————┤高端內存區(qū)域

堆棧是一個先進后出的數據結構，棧頂地址總是小于等于棧的基地址。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了解。不同的語言有不同的函數調用規(guī)定，這些因素有參數的壓入規(guī)則和堆棧的平衡。windows API的調用規(guī)則和ANSI C的函數調用規(guī)則是不一樣的，前者由被調函數調整堆棧，后者由調用者調整堆棧。兩者通過“__stdcall”和“__cdecl”前綴區(qū)分。先看下面這段代碼：

＃include?
void?__stdcall?func(int?param1,int?param2,int?param3)
{
????int?var1=param1;
????int?var2=param2;
????int?var3=param3;
????printf("0x%08x\n",param1);?//打印出各個變量的內存地址
????printf("0x%08x\n",param2);
????printf("0x%08x\n\n",param3);
????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;
}

編譯后的執(zhí)行結果是：

0x0012ff78
0x0012ff7c
0x0012ff80

0x0012ff68
0x0012ff6c
0x0012ff70

├———————┤<—函數執(zhí)行時的棧頂（ESP）、低端內存區(qū)域
│?……?│
├———————┤
│?var?1?│
├———————┤
│?var?2?│
├———————┤
│?var?3?│
├———————┤
│?RET?│
├———————┤<—“__cdecl”函數返回后的棧頂（ESP）
│?parameter?1?│
├———————┤
│?parameter?2?│
├———————┤
│?parameter?3?│
├———————┤<—“__stdcall”函數返回后的棧頂（ESP）
│?……?│
├———————┤<—棧底（基地址?EBP）、高端內存區(qū)域

上圖就是函數調用過程中堆棧的樣子了。首先，三個參數以從右到左的次序壓入堆棧，先壓“param3”，再壓“param2”，最后壓入“param1”；然后壓入函數的返回地址(RET)，接著跳轉到函數地址接著執(zhí)行（這里要補充一點，介紹UNIX下的緩沖溢出原理的文章中都提到在壓入RET后，繼續(xù)壓入當前EBP，然后用當前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，并未發(fā)現這一步，這還可以從param3和var1之間只有4字節(jié)的間隙這點看出來）；第三步，將棧頂(ESP)減去一個數，為本地變量分配內存空間，上例中是減去12字節(jié)(ESP=ESP-3*4，每個int變量占用4個字節(jié))；接著就初始化本地變量的內存空間。由于“__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，先回收本地變量占用的內存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前壓入參數占用的內存(ESP=ESP+3*4)，繼續(xù)執(zhí)行調用者的代碼。參見下列匯編代碼：

;--------------func?函數的匯編代碼-------------------

:00401000?83EC0C?sub?esp,?0000000C?//創(chuàng)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，恢復參數占用的內存空間
;如果是“__cdecl”的話，這里是“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，將在這里恢復堆棧，“add?esp,?0000000C”

聰明的讀者看到這里，差不多就明白緩沖溢出的原理了。先來看下面的代碼：

＃include?
＃include?

void?__stdcall?func()?{
????char?lpBuff[8]="\0";
????strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
????return;
}

int?main()?{
????func();
????return?0;
}

編譯后執(zhí)行一下回怎么樣？哈，“”0x00414141”指令引用的”0x00000000”內存。該內存不能為”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”的大小只有8字節(jié)，算進結尾的\0，那strcat最多只能寫入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(jié)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(zhí)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，接著是一個覆蓋RET的數據，緊接著是一段shellcode，那只要這個RET地址能指向這段shellcode的第一個指令，那函數返回時就能執(zhí)行shellcode了。但是軟件的不同版本和不同的運行環(huán)境都可能影響這段shellcode在內存中的位置，那么要構造這個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(qū)域
│?……?│
├———————┤<—由exploit填入數據的開始
│?│
│?buffer?│<—填入無用的數據
│?│
├———————┤
│?RET?│<—指向shellcode，或NOP指令的范圍
├———————┤
│?NOP?│
│?……?│<—填入的NOP指令，是RET可指向的范圍
│?NOP?│
├———————┤
│?│
│?shellcode?│
│?│
├———————┤<—由exploit填入數據的結束
│?……?│
├———————┤<—高端內存區(qū)域

windows下的動態(tài)數據除了可存放在棧中，還可以存放在堆中。了解C++的朋友都知道，C++可以使用new關鍵字來動態(tài)分配內存。來看下面的C++代碼：

＃include?
＃include?
＃include?

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(tài)變量的內存地址
}

void?main()?{
????func();
????return;
}

程序執(zhí)行結果為：

0x004107d0
0x0012ff04
0x004068c0

可以發(fā)現用new關鍵字分配的內存即不在棧中，也不在靜態(tài)數據區(qū)。VC編譯器是通過windows下的“堆(heap)”來實現new關鍵字的內存動態(tài)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(chuàng)建一個新的堆對象
-?HeapDestroy?銷毀一個堆對象
-?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，系統會自動為進程創(chuàng)建一個默認堆，這個堆默認所占內存的大小為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(tài)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究竟是什么呢？它的值有什么意義嗎？看看下面這段代碼吧：

#pragma?comment(linker,"/entry:main")?//定義程序的入口
＃include?

_CRTIMP?int?(__cdecl?*printf)(const?char?*,?...);?//定義STL函數printf
/*---------------------------------------------------------------------------
?寫到這里，我們順便來復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，由于這里參數的個數是動態(tài)的，所以必須由調用者來平衡堆棧，這里便使用了__cdecl調用規(guī)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(guī)則，同printf函數一樣，這是由于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(zhí)行結果為：

0x00130000
0x00133100
0x00133118

hHeap的值怎么和那個buff的值那么接近呢？其實hHeap這個句柄就是指向HEAP首部的地址。在進程的用戶區(qū)存著一個叫PEB(進程環(huán)境塊)的結構，這個結構中存放著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(tài)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(zhí)行效率下降。

最后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，這些調整對于程序來說是透明的，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(zhí)行結果：

＃include?

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編譯后的執(zhí)行結果：

0x0012ff7c
0x0012ff7b
0x0012ff80

變量在內存中的順序：b(1字節(jié))-a(4字節(jié))-c(4字節(jié))。

這是用Dev-C++編譯后的執(zhí)行結果：

0x0022ff7c
0x0022ff7b
0x0022ff74

變量在內存中的順序：c(4字節(jié))-中間相隔3字節(jié)-b(占1字節(jié))-a(4字節(jié))。

這是用lcc編譯后的執(zhí)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，但是后兩個編譯器顯然沒VC“聰明”，讓一個char占了4字節(jié)，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為棧頂，另一端稱為棧底，對堆棧的插入和刪除操作被稱為入棧和出棧。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(zhí)行完當前的指令后，從EIP寄存器中讀取下一條指令的內存地址，然后繼續(xù)執(zhí)行。