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一、棧（Stack）

1、概念和作用

棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在 Linux C 語(yǔ)言中用于存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用的相關(guān)信息。當(dāng)一個(gè)函數(shù)被調(diào)用時(shí)，會(huì)在棧上創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Stack Frame）。棧幀中包含了函數(shù)的參數(shù)、局部變量、返回地址等信息。棧的操作遵循后進(jìn)先出（LIFO）原則，這意味著最后壓入棧中的數(shù)據(jù)將最先被彈出。

2、存儲(chǔ)內(nèi)容

參數(shù)傳遞：在 C 語(yǔ)言中，函數(shù)參數(shù)通常是通過(guò)棧來(lái)傳遞的。

例如：對(duì)于函數(shù)int add(int a, int b)；

當(dāng)調(diào)用add(3, 5)時(shí)，a和b的值（3 和 5）可能會(huì)被壓入棧中。

局部變量存儲(chǔ)：函數(shù)內(nèi)部定義的局部變量也存放在棧中。

例如：

返回地址保存：當(dāng)一個(gè)函數(shù)調(diào)用另一個(gè)函數(shù)時(shí)，調(diào)用函數(shù)的下一條指令的地址（即返回地址）會(huì)被保存在棧中。這樣，當(dāng)被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完畢后，可以根據(jù)這個(gè)返回地址回到調(diào)用函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。

3、棧的大小

在 Linux 終端中，可以使用ulimit -s命令來(lái)查看棧的大小限制。ulimit是一個(gè)用于控制 shell 資源的工具，-s參數(shù)專門用于查看棧大小（以字節(jié)為單位）。

這個(gè)輸出結(jié)果8192表示當(dāng)前用戶的棧大小限制是 8192 字節(jié)。如果程序的棧使用超過(guò)了這個(gè)限制，就會(huì)導(dǎo)致棧溢出。

二、堆（Heap）

1、概念和作用

堆是用于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的區(qū)域。在 C 語(yǔ)言中，通過(guò)函數(shù)如malloc、calloc和realloc來(lái)從堆中分配內(nèi)存，通過(guò)free函數(shù)來(lái)釋放內(nèi)存。堆用于存儲(chǔ)那些在程序運(yùn)行過(guò)程中需要?jiǎng)討B(tài)分配和釋放的內(nèi)存塊，這些內(nèi)存塊的生命周期通常由程序員控制，而不像棧中的數(shù)據(jù)在函數(shù)結(jié)束時(shí)自動(dòng)釋放。

2、內(nèi)存分配和管理

2.1、malloc 函數(shù)：

void * ptr = malloc(size_t size)，它會(huì)在堆中分配指定大小（size）的一塊內(nèi)存，并返回一個(gè)指向這塊內(nèi)存的指針（ptr）。如果內(nèi)存分配成功，ptr指向的內(nèi)存是未初始化的。

2.2、calloc 函數(shù)：

void * ptr = calloc(size_t num, size_t size)，它也會(huì)在堆中分配內(nèi)存。與malloc不同的是，calloc會(huì)將分配的內(nèi)存塊初始化為全 0。

2.3、realloc 函數(shù)：

void * new_ptr = realloc(void * old_ptr, size_t new_size)，用于重新調(diào)整已經(jīng)通過(guò)malloc或calloc分配的內(nèi)存塊的大小。

2.4、free 函數(shù)：

free(void * ptr)用于釋放通過(guò)malloc、calloc或realloc分配的內(nèi)存。如果不釋放堆內(nèi)存，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

3、堆與棧的區(qū)別

3.1、內(nèi)存分配方式：

棧的內(nèi)存分配是由編譯器自動(dòng)完成的，在函數(shù)調(diào)用時(shí)自動(dòng)分配，函數(shù)結(jié)束時(shí)自動(dòng)釋放；而堆的內(nèi)存分配是由程序員通過(guò)函數(shù)調(diào)用手動(dòng)進(jìn)行的，并且需要手動(dòng)釋放，否則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存問(wèn)題。

3.2內(nèi)存增長(zhǎng)方向：

棧的內(nèi)存增長(zhǎng)方向通常是從高地址向低地址，而堆的內(nèi)存增長(zhǎng)方向通常是從低地址向高地址（這可能因操作系統(tǒng)和編譯器而略有不同）。

3.3內(nèi)存使用效率：

棧的內(nèi)存分配和釋放速度相對(duì)較快，因?yàn)樗�是自�?dòng)完成的；堆的內(nèi)存分配和釋放相對(duì)復(fù)雜，速度較慢，并且可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

三、堆棧溢出的原因

1、遞歸失控

在 Linux C 語(yǔ)言中，遞歸函數(shù)如果沒(méi)有正確的終止條件，就會(huì)不斷地進(jìn)行自身調(diào)用，導(dǎo)致棧空間被無(wú)限制地占用。

例如：

這個(gè)func函數(shù)會(huì)無(wú)限遞歸，每次調(diào)用都會(huì)將函數(shù)的返回地址、局部變量等信息壓入棧中。棧空間是有限的，最終就會(huì)導(dǎo)致棧溢出。

2、局部變量數(shù)組過(guò)大

如果在函數(shù)內(nèi)部定義了過(guò)大的局部變量數(shù)組，而棧空間不足以容納這些變量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)棧溢出（棧大小限制是 8192 字節(jié)）。

例如：

在這個(gè)例子中，func函數(shù)中定義的arr數(shù)組如果太大，超出了棧的容量，就會(huì)引發(fā)棧溢出。棧的大小在系統(tǒng)中是有限制的，一般由操作系統(tǒng)和編譯時(shí)的設(shè)置決定。

3、函數(shù)嵌套過(guò)深

當(dāng)有大量的函數(shù)嵌套調(diào)用時(shí)，每一次函數(shù)調(diào)用都會(huì)在棧上創(chuàng)建一個(gè)新的棧幀來(lái)存儲(chǔ)函數(shù)的局部變量、參數(shù)和返回地址等信息。如果嵌套的層數(shù)過(guò)多，就會(huì)耗盡棧空間。

例如：

在這個(gè)代碼中，從func1到func100層層嵌套調(diào)用，可能會(huì)因?yàn)闂�幀的過(guò)度積累而導(dǎo)致棧溢出。

4、緩沖區(qū)溢出

當(dāng)程

序向一個(gè)緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，如果寫入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)了緩沖區(qū)的大小，就可能會(huì)覆蓋棧上的其他數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致棧溢出。例如，在處理字符串復(fù)制操作時(shí)：

在這個(gè)例子中，strcpy函數(shù)會(huì)將arr復(fù)制到buff中，但arr的長(zhǎng)度超過(guò)了buff的容量，就會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出，可能會(huì)覆蓋棧上相鄰的內(nèi)存區(qū)域，引發(fā)棧溢出。

四、防止堆棧溢出的方法

1、手動(dòng)記錄遞歸深度

當(dāng)使用遞歸函數(shù)時(shí)，可以通過(guò)一個(gè)變量來(lái)記錄遞歸的深度。例如，在計(jì)算階乘的遞歸函數(shù)中：

在這里，depth變量用于記錄遞歸深度，當(dāng)depth超過(guò)預(yù)先定義的MAX時(shí)，就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理。

或者，定義一個(gè)全局變量，每次函數(shù)調(diào)用的時(shí)候就-1，當(dāng)超出限制的時(shí)候，就錯(cuò)誤處理結(jié)束調(diào)用。

2、估算局部變量空間需求，動(dòng)態(tài)分配空間

在函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要估算函數(shù)內(nèi)部局部變量所占用的棧空間。盡量避免定義大量占用空間的局部變量。如果必須使用較大的局部變量數(shù)組，可以考慮將其定義為全局變量或者動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存（在堆上）。

例如，對(duì)于一個(gè)可能導(dǎo)致棧溢出的函數(shù)：

可以將其修改為動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的方式：

這樣，數(shù)組的內(nèi)存是從堆上分配的，而不是棧，減少了棧溢出的風(fēng)險(xiǎn)。

3、優(yōu)化函數(shù)參數(shù)傳遞方式

如果函數(shù)參數(shù)是大型結(jié)構(gòu)體或者數(shù)組，可以考慮使用指針傳遞而不是值傳遞。值傳遞會(huì)復(fù)制整個(gè)參數(shù)對(duì)象到棧上，而指針傳遞只傳遞對(duì)象的地址，占用空間更小。

例如：

4、安全的字符串和緩沖區(qū)操作

1、使用安全的字符串處理函數(shù)

避免使用可能導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出的函數(shù)，如strcpy和gets。取而代之，使用安全的函數(shù)，如strncpy和fgets。例如，對(duì)于strcpy可能導(dǎo)致的緩沖區(qū)溢出：

可以使用strncpy來(lái)安全地復(fù)制字符串：

這里strncpy會(huì)根據(jù)buff的大小來(lái)復(fù)制字符串，并且最后手動(dòng)添加字符串結(jié)束符\0，以確保字符串的完整性。

2、檢查緩沖區(qū)邊界

在對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行操作時(shí)，無(wú)論是寫入還是讀取，都要明確知道緩沖區(qū)的邊界。例如，在循環(huán)向緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，要確保寫入的數(shù)據(jù)量不超過(guò)緩沖區(qū)的大小。可以通過(guò)比較寫入數(shù)據(jù)的索引和緩沖區(qū)大小來(lái)進(jìn)行控制。例如：

這個(gè)示例在從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取字符并寫入緩沖區(qū)buffer時(shí)，通過(guò)比較i和sizeof(buff)-1來(lái)確保不會(huì)寫入超過(guò)緩沖區(qū)大小的數(shù)據(jù)。