[Перевод] [The Old New Thing] Могу ли я использовать свой стек как угодно?
В Windows стек растет от больших адресов к меньшим. Иногда это определяется архитектурно, а иногда это просто принятое соглашение. Значение указателя стека (регистр процессора), является указателем на значение в верхней части стека. А значения, расположенные глубже по стеку, соответственно, находятся по большим адресам. Но что происходит с данными, которые расположены по адресам, меньшим, чем указатель стека?
Соглашения для некоторых (но не для всех) архитектур определяют красную зону, которая является областью памяти под указателем стека, но которая по-прежнему валидна для использования приложением.
Для Windows размер красной зоны варьируется в зависимости от аппаратной архитектуры и часто равен нулю.
| Архитектура | Размер красной зоны |
|---|---|
| x86 | 0 байт |
| x64 | 0 байт |
| Itanium | 16 байт* |
| Alpha AXP | 0 байт |
| MIPS32 | 0 байт |
| PowerPC | 232 байта** |
| ARM32 | 8 байт |
| ARM64 | 16 байт |
* У платформы Itanium стоит отметить особенность: там красная зона расположена над указателем стека, а не под ним.
** В случае PowerPC красная зона является побочным эффектом соглашения о вызовах.
Любая память за красной зоной (ниже по стеку) считается непостоянной (volatile) и может быть изменена операционной системой в любое время.
А если серьезно, почему операционную систему вообще заботит то, что я делаю со своим стеком? Я имею в виду, это мой стек! Операционная система не говорит мне, что делать с памятью, которую я выделяю через VirtualAlloc. Что отличает стек от любой другой памяти?
Рассмотрим следующий код для x86 платформы:
MOV [esp-4], eax ; сохранить eax ниже указателя стека
MOV ecx, [esp-4] ; считать сохраненное значение в ecx
CMP ecx, eax ; они одинаковые?
JNZ panic ; N: случилось что-то безумное
Соглашение о кодировании для ассемблера говорит, что комментарии для инструкций перехода должны описывать результат, если переход выполнен. В приведенном выше примере инструкция CMP задает вопрос «Являются ли они одинаковыми?». И инструкция JNZ переходит, если они не равны. Таким образом, комментарий начинается с «N:», что означает что переход будет выполнен, если ответом на предыдущий вопрос является «No» (Нет), а в оставшейся части комментария описывается сама ситуация, когда выполняется переход.
Да, у нас есть соглашение о кодировании для ассемблера.
Возможна ли ситуация, когда условный переход будет осуществлен?
Поскольку на x86 нет красной зоны, память с отрицательными смещениями относительно указателя стека может быть перезаписана в любое время. Поэтому для приведенного выше кода возможен переход к метке panic.
Отладчик может использовать память за красной зоной как удобное место для хранения своих данных. Например, если вы используете команду .call, отладчик выполнит вложенный вызов в том же стеке и, вероятно, использует часть этого пространства стека для сохранения регистров, чтобы их можно было восстановить после возврата из вызываемой функции. Поэтому любые данные, хранящиеся за пределами красной зоны, будут уничтожены.
Даже во время нормальной работы операционная система может в любой момент перезаписать данные за пределами красной зоны. Вот, например, как это может произойти:
Предположим, что ваша нить (thread) отработала свой квант времени сразу после сохранения данных за красной зоной. Пока ваша нить ожидает возможности возобновить выполнение, менеджер памяти временно забирает у вашего кода физическую страницу памяти (page out). В конце концов ваша нить снова получает управление и менеджер памяти пытается подкачать страницу кода обратно (page in). О нет, во время подкачки происходит ошибка ввода-вывода! Операционная система помещает фрейм исключения для STATUS_IN_PAGE_ERROR на стек, что приводит к порче данных, которые вы сохранили за красной зоной.
Операционная система диспетчеризует это исключение. Она обращается к векторному обработчику исключений (VEH), который является другой частью вашей программы. Обработчик был установлен специально, для обработки исключительных ситуаций, возникающих из-за возможного запуска вашей программы непосредственно с CD-ROM или ненадежной сетевой ФС. Программа отображает запрос, в котором просит пользователя снова вставить компакт-диск и предлагает повторить попытку. Если пользователь говорит, что нужно повторить, то обработчик векторных исключений возвращает EXCEPTION_CONTINUE_EXECUTION, а операционная система перезапустит инструкцию, на которой возникло исключение.
На этот раз перезапуск завершается успешно, потому что CD-ROM присутствует (и читается) и код может быть успешно подкачан в память. Выполняется следующая инструкция, которая загружает значение за пределами красной зоны в регистр ecx. Но это уже не то значение, которое было сохранено предыдущей инструкцией, поскольку исключение STATUS_IN_PAGE_ERROR перезаписало его. Сравнение говорит, что данные разные, и мы переходим к метке panic.
Если вы хотите сохранить данные в стеке, помещайте их туда правильно: сначала уменьшайте указатель стека, а затем сохраните значение в валидной части стека. Не прячьте данные за красной зоной, эта память может быть изменена в любой момент без вашего ведома.
