计算机系统课程 笔记总结 CSAPP第三章 程序的机器级表示（3.8-3.10）

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目录

3.8 数组分配和访问

3.8.1 基本原则

3.8.2 指针运算

3.8.3 嵌套的数组

3.8.4 定长数组

3.8.5 变长数组

3.9 异质的数据结构

3.9.1 结构 struct

3.9.2 联合 union

3.9.3 数据对齐

3.10 在机器级程序中将控制与数据结合起来

3.10.1 理解指针

3.10.2 应用：使用GDB调试器

3.10.3 内存越界引用和缓冲区溢出

3.10.4 对抗缓冲区溢出攻击

3.10.5 支持变长栈帧

---

3.8 数组分配和访问

3.8.1 基本原则

数据类型T和整形常数N，声明：

• T A[N]
• 在内存中分配 L×N 字节的连续区域（L是数据类型T的大小）
• 起始位置表示为 Xa ，标识符 A 作为数组开头的指针
• 数组元素 i 会被存放在地址为 Xa+L×i的地方

例如，假设E是一个int型的数组，而我们想计算E[i]，E的地址存放在寄存器%rdx中，而i存放在寄存器%rcx中。然后，指令

• movl (%rdx, %rcx, 4), %eax

会执行地址计算，读这个内存位置的值。

3.8.2 指针运算

3.8.3 嵌套的数组

	二维数组声明：

3.8.4 定长数组

					优化
			最后一个元素存在 &B[N-1][k] 则 &B[N][k] 为终止地址
				移动到下一列，地址加4（int） 移动到下一行，地址加4*N

3.8.5 变长数组

例如要访问n×n数组的元素i，j，我们可以写一个如下的函数：

参数n必须在参数A[n][n]之前，这样函数就可以在遇到这个数组的时候计算出数组的维度。

---

3.9 异质的数据结构

• 结构 structure
  • 关键字：struct
• 联合 union
  • 关键字：union

3.9.1 结构 struct

• C语言的struct声明创建一个数据类型，将可能不同类型的对象聚合到一个对象中。
• 类似于数组的实现，结构的所有组成部分都存放在内存中一段连续的区域内，而指向结构的指针就是结构第一个字节的地址。
• 编译器维护关于每个结构类型的信息，指示每个字段(field)的字节偏移。
• 它以这些偏移作为内存引用指令中的位移，从而产生对结构元素的引用。

3.9.2 联合 union

				对于类型 union U3 * 的指针p, p->c, p->i[0], p->v 引用的都是数据结构的起始位置 一个联合总的大小等于它最大字段的大小

			即：指针/数据 二选一
				优化空间

			访问不同数据类型的位模式 强行转换类型

			字节顺序问题很重要 小端法与大端法得出的 double d 不同

3.9.3 数据对齐

	许多计算机系统要求某种类型对象的地址必须是K（通常是2、4、8）的倍数。 这种对齐限制简化了形成处理器和内存系统之间接口的硬件设计。 无论数据是否对齐，x86-64硬件都能正确工作。 编译器在结构体中插入空白，以确保字段的正确对齐

结构体数组：

7字节留白

			优化空间

---

3.10 在机器级程序中将控制与数据结合起来

3.10.1 理解指针

特点/原则

1. 每个指针都对应一个类型
2. 每个指针都有一个值
3. 指针用‘&’运算符创建
4. ‘*’操作符用于间接引用指针
5. 数组与指针紧密联系

1. 将指针从一种类型强制转换成另一种类型，只改变它的类型，而不改变它的值

1. 指针也可以指向函数（函数指针？？？）

3.10.2 应用：使用GDB调试器

• quit 退出
• run 运行（在此行给出命令行参数）
• kill 停止程序
• break multstore 在函数multstore入口处设置断点
• break * 0x400540 在地址0x400540处设置断点
• delete 1 删除断点1
• delete 删除所有断点
• stepi 执行1条指令
• stepi 4 执行4条指令
• continue 运行到当前函数返回
• disas 反汇编当前函数
• print $rax 以十进制输出%rax内容
• info frame
• info register
• help

3.10.3 内存越界引用和缓冲区溢出

• gets()函数无法确定是否为保存整个字符串分配了足够的空间
• strcpy, strcat: 任意长度字符串的拷贝
• scanf, fscanf, sscanf, 使用 %s 转换符时

• 缓冲区溢出，返回地址被破坏，程序看起来能工作
• 缓冲区溢出使程序执行它本来不愿意执行的函数，这是最常见的通过计算机网络攻击系统安全的方法

			输入字符串包含可执行代码的字节序列 将返回地址 A用缓冲区B的地址替换 当Q执行ret后，将跳转到B处，执行漏洞利用程序(exploit code)

3.10.4 对抗缓冲区溢出攻击

针对缓冲区溢出攻击：

• 避免溢出漏洞（函数、代码细节）
  • fgets代替gets、strncpy代替strcpy
  • scanf函数中别用%s（或用%ns代替%s，其中n是一个合适的整数）
• 使用系统级的防护
  • 3.10.4.1 栈随机化（随机的栈偏移）
    • 程序启动后，在栈中分配随机数量的空间

• 将移动整个程序使用的栈空间地址
• 黑客很难预测插入代码的起始地址
• 例如：执行5次内存申请代码
  • 每次程序执行，栈都重新定位

• 3.10.4.3 限制可执行代码区域（非可执行代码段）
  • 目的：消除攻击者向系统中插入可执行代码的能力
  • 在传统的x86中，可以标记存储区为“只读”或“可写的”
  • x86-64添加显式“执行”权限
  • 将stack标记为不可执行（漏洞利用程序exploit code）

• 3.10.4.2 栈破坏检测（栈金丝雀）
  • 编译器使用“栈金丝雀”（stack canaries）
    • 在栈中缓冲区（buffer）之后的位置放置特殊的值——金丝雀（canary）
    • 退出函数之前，检查是否被破坏
  • 用GCC实现
    • -fstack-protector
    • 该选项现在是默认开启的（早期默认关闭）
  • 

 

• 

另：

3.10.5 支持变长栈帧

有些函数需要的局部存储是变长的（例如alloca函数）

%rbp 帧指针/基指针

base pointer --> bp

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