【Windows】线程漫谈——线程栈

本系列意在记录Windwos线程的相关知识点，包括线程基础、线程调度、线程同步、TLS、线程池等。

预备知识

众所周知，线程在初始化时，系统会为其分配线程栈，用于局部变量、函数调用时的参数等。在开始讨论前，先交代一些背景知识。

栈：一种先入后出的数据结构，push和pop是它典型的操作，对应“入栈”和“出栈”的术语。

系统内存的分配机制：简单的说包括“预订”和“调拨”两个过程。预订并不真正分配物理存储器，只是对进程虚拟地址空间中的内存进行“预分配”，以使得这块内存不至于被当前进程的其他指令分配；调拨就是为预订的内存空间分配物理存储器（windows中物理存储器可能是物理内存，也可能是内存页交换文件）。windows之所以这样做，归根到底是为了让进程以为自己占用了所有的物理存储器。内存以页面为单位，x86平台的页面大小为4KB，每个页面会有一个保护属性，例如：PAGE_READWRITE、PAGE_GUARD等。

 

栈内存结构和工作原理

默认情况下，线程栈的大小为1MB，对应256个页面。可以用Microsoft C++链接器的链接选项改变默认栈的大小，也可以通过CreateThread方法的参数改变。（最近看了点汇编的东西，我觉得事实上并非线程一定需要栈，而是C++链接器会自动在PE文件中写入初始化栈的信息，PE加载器能识别并初始化SS、SP。而编译器在处理变量和函数调用时会默认用这个栈）。我们知道x86的进栈指令PUSH总是递减栈顶指针，所以栈顺序总是从高位到低位。初始默认情况下，操作系统会为线程栈预订1MB的空间，并调拨2个页面的空间。下图为线程栈初始化的状态：

上图中我们看到，前两个页面是被调拨的，而只有第一个页面被设置成了PAGE_READWRITE，第二个页面被设置成PAGE_GUARD。随着调用越来越多的函数，线程需要越来越多的栈，当访问到第二个页面的时候（PAGE_GUARD），系统会得到通知，接下来系统会修改PAGE_GUARD为PAGE_READWRITE，并为下一个页面调拨存储器。

当线程访问到倒数第三个页面的的时候，系统会为倒数第二个页面调拨物理存储器，此时还会抛出EXCEPTION_STACK_OVERFLOW，如果用结构化异常处理掉了，并且线程继续使用栈空间，那么倒数第二个页面会被用尽，此时不得不访问栈底页面，然而栈底页面并没有被调拨，这时发生的访问违规将终止整个进程！这就是栈溢出错误！系统这么做自然是为了保护进程中的其他内存空间。

相比StackOverflow，还有一个StackUnderflow的错误。下面的代码展示了StackUnderflow

int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance,HINSTANCE,PTSTR pszCmdLine,int nCmdShow){

    BYTE aBytes[100];

    aBytes[10000H] = 0;//默认分配1MB的栈，此时访问了1MB以外的空间

    ...

}

如果此时，aBytes[10000H]处的内存没有被调拨，则会发生访问违规；如果已调拨了物理内存，则其他的内存被破坏。

 

C++运行库的栈检查函数

上面所述的调拨栈空间的策略看似“无懈可击”，可是“暗藏漏洞”。先看下面这段代码：

void SomeFunction(){

    int nValues[4000];

    nValues[0] = 0;//assign a value

}

在32位系统中，这个函数至少需要4000*4=16000字节，其中index为0的元素在哪里呢？在栈的低地址！如果以默认1MB的栈空间分配的话，nValues[0]将访问尚未调拨的空间。为了解决这个问题，编译器会自动插入栈检查代码。编译器能够计算出函数所需要的栈空间，如果所需要的空间大于一个页面的大小，编译器就会为函数插入检查代码。检查代码的原理很简单：每次试图访问下一个页面中的某个地址，以使系统自动为它分配调拨内存，直到需要的栈空间都满足为止。当然如果预设的栈空间不够的话，还是会先引发溢出异常。

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