請使勁回答一個關(guān)于UNIX/Linux自動擴(kuò)展stack的問-創(chuàng)新互聯(lián)

有本事就出來，沒本事就當(dāng)鱉！

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如果讓我回答關(guān)于進(jìn)程棧，線程棧的問題，只要問題不籠統(tǒng)，只要問題明確，我會一五一十地回答，正確率上九成，然而，可悲的是，問題往往他媽的都不是 很明確，因此，游戲到此結(jié)束??！艸。但是如果給我一個問的機(jī)會，我會問下面一個問題，記住，使出你拉屎的勁來回答(該問題足夠糙！不必太當(dāng)回事，重要的東 西在下面-)：

UNIX/Linux 的stack在大多數(shù)平臺是向下擴(kuò)展的(注意，我已經(jīng)告訴他事實了，我并沒有問...是如何擴(kuò)展的，這是可以背誦下來并朗讀出來的)，在一個執(zhí)行流調(diào)用了 一個函數(shù)A，而該函數(shù)A在stack上分配了一個大數(shù)組導(dǎo)致了stack擴(kuò)展(注意，這又是一段陳述，我還沒有給出問題)，然后A返回 了，UNIX/Linux理應(yīng)回收調(diào)A里面大數(shù)組分配stack空間-因為它再也沒有用了，但是它并沒有這么做(這里可能是一個陷阱，真的是UNIX /Linux理應(yīng)這么做卻沒有做，還是說我只是在逗你玩...不確定，但陳述就是如此)。(注意，我的問題來了)，請問，UNIX/Linux為什么這么 做？？？?。?！
       凡是回答操作系統(tǒng)這么規(guī)定的之類的答案，一律零分！況且，你能證明我說的一定對嗎？萬一我是逗你玩呢？操作系統(tǒng)能規(guī)定一個錯的東西嗎？或者我可以繼續(xù)問為 什么這么規(guī)定，直到像我初中的歷史老師被我問到朝我眼角猛打一拳那樣，如果我能找回點(diǎn)賤人所謂的快感，那么來打吧！問題就是這樣，不管這個問題是一個偽命 題還是你有自己的想法，能說5分鐘的，我覺得也夠可以了。該題目的答題要求如下：
時間限制：5分鐘。
作答方式：全口述，不能畫圖，不能打手勢...語言含糊不清的，表達(dá)能力不好的，算錯誤。
答題建議：如果你對OS虛擬內(nèi)存管理以及Linux的VMA實現(xiàn)細(xì)節(jié)沒有相當(dāng)深入的理解，請不要猜測答案。請直接回答“不知道”，然后看完此文。
.................................
5分鐘過去。我要公布一點(diǎn)我的想法了。
      首先，這個問題在本身看來，有問題。因為雖然Linux理應(yīng)這么做，但它：
第一，它不一定能做到；
第二，它根本沒有必要做。
那么論據(jù)是什么？憑什么這樣說？

積極論點(diǎn)

沒必要這樣做。執(zhí)行流還會調(diào)用別的函數(shù)或者再次調(diào)用A，頻繁回收棧損耗性能；

消極論點(diǎn)

很難或者不能做到。stack操作是處理器控制的，和OS內(nèi)核地址空間管理機(jī)制之間沒有同步機(jī)制，一個函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，CPU自動處理stack寄存器的收縮，彈出棧幀，然而它無法通知OS內(nèi)存管理系統(tǒng)去更新進(jìn)程地址空間的映射關(guān)系。

如何處理stack所在地址空間區(qū)域的爭議

stack 會一直擴(kuò)展到碰到異常的地址B，B可能是一個readonly的地址或者是一個保護(hù)空洞，在向下擴(kuò)展stack情況下，如果地址B偏上，會導(dǎo)致stack 空間變小，如果偏下，一旦函數(shù)局部變量幾乎占滿了stack底到B的空間，mmap雖然也能unmap掉這段區(qū)域然后remap，然而這會使數(shù)據(jù)混亂，造 成嚴(yán)重問題。

拍腦袋的結(jié)論

mmap或者brk期間，比較stack頂部與esp寄存器，若小于則回收（等于是正常的，大于是不可能的）。

Linux真實的做法

Linux 沒有判斷什么esp寄存器，Linux的原則很簡單，只要一個地址處在一個vma范圍內(nèi)或者處在stack可擴(kuò)展的范圍內(nèi)，且擁有權(quán)限的，它就是可以訪 問，內(nèi)核是不管這個VMA是屬于stack還是heap或者別的什么，具體由應(yīng)用程序自己控制，也就是說，你完全可以寫一段代碼，把地址空間中所有可以寫 的區(qū)域全部清零，這完全有可能，緩沖區(qū)溢出可能是一種蓄意的破壞，然而程序員偶然的錯誤也會造成破壞，雖然他們大多數(shù)都不知道錯誤是如何發(fā)生的。我不想用 文字長篇大論Linux是如何管理VMA的，你知道這個應(yīng)該是一個前提，你必須知道這個。我用一段代碼以及兩個圖示來展示Linux系統(tǒng)內(nèi)核是如何管理 stack附近的地址空間映射的，并且在第二張圖中給出，如果你非要蓄意破壞，會造成什么問題。也就是說，一旦發(fā)生莫名奇妙的錯誤，你必須能從細(xì)節(jié)上理解 這個錯誤是如何發(fā)生的。

演示代碼

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <sys/mman.h> #define LARGE       70000000 #define PAGESIZE    4096 // 該函數(shù)什么都不做，僅僅為了把stack向下擴(kuò)展 // 請注意用ulimit將stack大小限制去掉，這樣會更容易說明問題 void call() {     int i;     char a[LARGE];     // 請相信，一定是在中間的賦值中觸發(fā)segfault，因為兩邊的元素要么處在stack/fixmap vma，     // 要么處在游離的，及其孤獨(dú)的，被fixmap給截斷了的vma中。因此下面的賦值不會引發(fā)段錯誤：     // a[0] = 1;     // a[LARGE-1] = 1;     for (i = 0; i < LARGE; i++) {         a[i] = 1;     }   } int main(int argc, char **argv) {     int i;     char *p_map, *p_base, *p_base2;     printf("%d\ninit state\n", getpid());     // 獲取stack的大致地址，并且PAGESIZE對齊。     p_base = (char *)&i;     p_base2 = (char *)(((unsigned long)p_base) & ~4095);     // 獲取pagesize對齊的用來fixmap的地址，該地址起點(diǎn)在當(dāng)前stack的下面。     p_base2 = (char *)((unsigned long)p_base2 - (unsigned long)36*PAGESIZE);     getchar();     // 調(diào)用fixmap，顯然，如果你仔細(xì)在getchar期間分析了/proc/xx/maps文件并且     // 得到了上述的那些magic number，下面的mmap無論如何是會成功的！     p_map = (char *)mmap((void*)p_base2, PAGESIZE*3, PROT_READ | PROT_WRITE,                          MAP_FIXED |MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);     if (p_map == MAP_FAILED) {         printf("failed 1\n");     } else {         printf("before unmap fixmap around stack\n");         getchar();         // 成功了就釋放掉它，此時的地址空間恢復(fù)成mmap之前的狀況         munmap(p_map, PAGESIZE*3);     }           printf("after unmap fixmap around stack\n");     getchar();     call();     printf("after extend stack[first]\n");     getchar();     // 依然調(diào)用之前的那個一模一樣的mmap進(jìn)行fixmap，由于調(diào)用了call，stack     // 空間已經(jīng)擴(kuò)展到了這個fixmap的fixaddress，很遺憾，成功了，然而它將stack vma     // 一刀切成了兩段。不管怎樣，訪問還是可以進(jìn)行的。     p_map = (char *)mmap((void*)p_base2, PAGESIZE*3, PROT_READ | PROT_WRITE,                         MAP_FIXED |MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);     if (p_map == MAP_FAILED) {         printf("failed 2\n");     }     printf("after second fixmap around stack at the same address\n");     getchar();     // 這里更狠！部分unmap了上面那個fixmap vma，留下一個空洞。     munmap(p_map, PAGESIZE);     printf("after unmap fixmap around stack incompletely\n");     getchar();     // 當(dāng)空洞被touch的時候，不會引發(fā)stack extend！而是直接segfault！爆炸！     call();     // 永遠(yuǎn)不會到達(dá)這里！     printf("after extend stack[second]\n");     getchar();     return 0; }

針對上述代碼的圖解

下面一幅圖展示一直到出事之前，該進(jìn)程的stack附近的地址空間映射區(qū)域是怎么演化的：

下面一幅圖展示出事的過程以及這個事故的原因：

測試方式

如 果你覺得圖是我自己畫出來的，那么肯定有一個疑問，我是基于什么畫出來的，事實上，我并不是通過看代碼畫出來的，我是通過不斷查看procfs的maps 文件實時了解該進(jìn)程地址空間的細(xì)節(jié)，將其轉(zhuǎn)換成了上面的圖示，為了讓我有機(jī)會到另一個終端去查maps文件，我在代碼中增加了getchar調(diào)用，每次查 看完maps文件，我會拍一下鍵盤的回車鍵。我的測試如下：

代碼編譯后的進(jìn)程輸出

root@abcd:~# ./a.out
7846
init state

before unmap fixmap around stack

after unmap fixmap around stack

after extend stack[first]

after second fixmap around stack at the same address

after unmap fixmap around stack incompletely

段錯誤 (core dumped)

以下是查看每一步進(jìn)程maps文件的輸出：

root@abcd:~# cat /proc/`ps -e|grep a.out|awk '{print $1}'`/maps |tail -n 6|head -n 4
2b2c01483000-2b2c01487000 r--p 00157000 fe:00 387296                    /lib/libc-2.11.2.so
2b2c01487000-2b2c01488000 rw-p 0015b000 fe:00 387296                    /lib/libc-2.11.2.so
2b2c01488000-2b2c0148f000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff6236a000-7fff6237f000 rw-p 00000000 00:00 0                         [stack]
root@abcd:~# cat /proc/`ps -e|grep a.out|awk '{print $1}'`/maps |tail -n 6|head -n 4
2b2c01487000-2b2c01488000 rw-p 0015b000 fe:00 387296                    /lib/libc-2.11.2.so
2b2c01488000-2b2c0148f000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff62359000-7fff6235c000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff6236a000-7fff6237f000 rw-p 00000000 00:00 0                         [stack]
root@abcd:~# cat /proc/`ps -e|grep a.out|awk '{print $1}'`/maps |tail -n 6|head -n 4
2b2c01483000-2b2c01487000 r--p 00157000 fe:00 387296                    /lib/libc-2.11.2.so
2b2c01487000-2b2c01488000 rw-p 0015b000 fe:00 387296                    /lib/libc-2.11.2.so
2b2c01488000-2b2c0148f000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff6236a000-7fff6237f000 rw-p 00000000 00:00 0                         [stack]
root@abcd:~# cat /proc/`ps -e|grep a.out|awk '{print $1}'`/maps |tail -n 6|head -n 4
2b2c01483000-2b2c01487000 r--p 00157000 fe:00 387296                    /lib/libc-2.11.2.so
2b2c01487000-2b2c01488000 rw-p 0015b000 fe:00 387296                    /lib/libc-2.11.2.so
2b2c01488000-2b2c0148f000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff5e0bb000-7fff6237f000 rw-p 00000000 00:00 0                         [stack]
root@abcd:~# cat /proc/`ps -e|grep a.out|awk '{print $1}'`/maps |tail -n 6|head -n 4
2b2c01488000-2b2c0148f000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff5e0bb000-7fff62359000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff62359000-7fff6235c000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff6235d000-7fff6237f000 rw-p 00000000 00:00 0                         [stack]
root@abcd:~# cat /proc/`ps -e|grep a.out|awk '{print $1}'`/maps |tail -n 6|head -n 4
2b2c01488000-2b2c0148f000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff5e0bb000-7fff62359000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff6235a000-7fff6235c000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff6235d000-7fff6237f000 rw-p 00000000 00:00 0                         [stack]
我怕上面的文字信息太亂，格式在不同瀏覽器會有問題，我還特意截了一張圖：

有什么用

你 可以用這種方式徹底限制一個進(jìn)程的stack的大小，越界了不是報錯，而是segfault。然后你可以signal捕獲這個segfault，在里面把 那個未完全unmap的fixmap vma以及那個可憐且孤獨(dú)的殘缺的stack vma給徹底u(yù)nmap掉。不過這確實沒什么好玩的。有什么用呢？它的作用就是讓你更加深入理解Linux對虛擬地址空間的管理方式。

小Tips

本文不涉及線程棧，但是倒也不難，線程棧一般在heap區(qū)或者中間的大塊mmap區(qū)動態(tài)分配，mmap的時候給它一個MAP_GROWSDOWN標(biāo)志就可以了。關(guān)于它的管理方式，沒啥差別。核心問題在于，缺頁異常處理程序是怎么識別到一個缺頁是一個vma內(nèi)部的缺頁(結(jié)果就是調(diào)頁)，還是vma外部的缺頁。在后一種情況下，缺頁處理邏輯還要進(jìn)一步識別是stack的缺頁(結(jié)果就是extend stack然后調(diào)頁)，還是非stack缺頁(結(jié)果就是segfault...)。
      Linux的stack除非遇到本文所述的這種方式的擠兌收縮，它是永遠(yuǎn)擴(kuò)展的。如果你想閱讀Linux的內(nèi)核代碼，那么也需要理解下面的事實：
1.find_vma函數(shù)能找到vma只有一個限制，即輸入地址只要小于查找vma的end即可，并非很多人想象的那樣輸入地址必須處在查找vma的start和end之間；
2.find_vma函數(shù)之所以實現(xiàn)得如此incompletely，是因為為了簡化缺頁中斷的處理，同時也是為了提供一種更加統(tǒng)一的方式同時處理upgrows和downgrows的vma。

后話

雖 然這個問題問得有點(diǎn)亂，但是如果能找上述回答連續(xù)扯5分鐘的，應(yīng)該是真行！不過我不知道怎樣的語言表達(dá)能力可以不用圖解和代碼把上面的每一個細(xì)節(jié)說清 楚...總之，我覺得我的這個題目是一個好題目?？梢越ㄗh給看到此文的人，把它做面試題吧。凡是發(fā)現(xiàn)不了題目問題的以及說不出所以然的，一律不要！這真是 一道好測試題啊，它是如此之好，以至于我還想再出幾道比它更好的。

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文章來源：http://muchs.cn/article32/psesc.html

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