linux - 不同缓冲区大小的不同内存对齐方式

Question

我正在尝试自学堆栈溢出，尝试使用这些 -fno-stack-protector 标志，并尝试了解进程中的内存管理方式。

我编译了以下代码(使用 Ubuntu 18.04.1 LTS (x86_64)，gcc 7.3.0.，ASLR 禁用)

int main (int argc, char *argv[])
{
    char    buff[13];
    return 0;
}

如下:gcc -g -o main main.c -fno-stack-protector。然后我调用了 gdb main、b 4、run，从以下输出可以看出

(gdb) print &buff
$2 = (char (*)[13]) 0x7fffffffd963

0x7fffffffd963: 0xff    0xff    0x7f    0x00    0x00    0x00    0x00    0x00
0x7fffffffd96b: 0x00    0x00    0x00    0x00    0x00    0x10    0x46    0x55
0x7fffffffd973: 0x55    0x55    0x55    0x00    0x00    0x97    0x5b    0xa0
0x7fffffffd97b: 0xf7    0xff    0x7f    0x00    0x00    0x01    0x00    0x00

(gdb) info frame 0
Stack frame at 0x7fffffffd980:
 [...]
 Saved registers:
 rbp at 0x7fffffffd970, rip at 0x7fffffffd978

为缓冲区分配的 13 字节紧跟在保存的基指针 rbp 之后。

将缓冲区大小从 13 增加到 21 后，我得到以下结果:

(gdb) print &buff   
$3 = (char (*)[21]) 0x7fffffffd950

(gdb) x/48bx buff
0x7fffffffd950: 0x10    0x46    0x55    0x55    0x55    0x55    0x00    0x00
0x7fffffffd958: 0xf0    0x44    0x55    0x55    0x55    0x55    0x00    0x00
0x7fffffffd960: 0x50    0xda    0xff    0xff    0xff    0x7f    0x00    0x00
0x7fffffffd968: 0x00    0x00    0x00    0x00    0x00    0x00    0x00    0x00
0x7fffffffd970: 0x10    0x46    0x55    0x55    0x55    0x55    0x00    0x00
0x7fffffffd978: 0x97    0x5b    0xa0    0xf7    0xff    0x7f    0x00    0x00

(gdb) info frame 0
Stack frame at 0x7fffffffd980:   
 [...]
 Saved registers:
  rbp at 0x7fffffffd970, rip at 0x7fffffffd978

现在 rbp 之后有额外的 11 字节，然后是缓冲区。

• 第二种情况，为什么多了11个字节？这是由于堆栈的对齐，例如缓冲区是否必须从 rbp 开始按 16 字节对齐(16 的倍数)？
• 为什么第一种情况内存布局不一样，好像没有对齐？

Answer 1

x86-64 System V ABI对于 16 字节或更大的本地或全局数组，以及所有 C99 VLA(始终是本地的)，需要 16 字节对齐。

An array uses the same alignment as its elements, except that a local or global array variable of length at least 16 bytes or a C99 variable-length array variable always has alignment of at least 16 bytes.⁴

⁴ The alignment requirement allows the use of SSE instructions when operating on the array. The compiler cannot in general calculate the size of a variable-length array (VLA), but it is expected that most VLAs will require at least 16 bytes, so it is logical to mandate that VLAs have at least a 16-byte alignment.

小于一个 SIMD 向量(16 字节)的固定大小数组没有此要求，因此它们可以在堆栈布局中高效打包。

请注意，这不适用于结构内部的数组，仅适用于局部变量和全局变量。

(对于动态存储，malloc 返回值的对齐方式必须足够对齐以容纳达到该大小的任何对象，并且由于 x86-64 SysV 具有 maxalign_t 16 字节，如果大小为 16 或更大，malloc 还必须返回 16 字节对齐的指针。对于较小的分配，如果需要，它可以只返回 8B 对齐的 8B 分配。)

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本地数组的要求使得编写将其地址传递给需要 16 字节对齐的函数的代码变得安全，但这在大多数情况下并不是 ABI 本身真正需要指定的内容。

这不是不同的编译器必须同意将它们的代码链接在一起的东西，结构布局或调用约定的方式(哪些寄存器被调用破坏，或用于 arg 传递......)。编译器基本上拥有它正在编译的函数的堆栈布局，其他函数不能假设或依赖它的任何内容。如果您将指针作为函数参数传递，或者将指针存储到全局变量中，它们只会获得指向您本地变量的指针。

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不过，为全局指定它是有用的:它使编译器生成的自动矢量化代码可以安全地假设全局数组对齐，即使它是目标文件中的 extern int[]由另一个编译器编译。