栈的动态分配ALLOCA函数使⽤
哎，下班回家就开始⼤扫除，⼀直到凌晨才搞定，真的累了。但是计划的是今天必须将本⽂写完，不写完睡不着觉。那就尽快切⼊正题吧！
我们经常使⽤malloc或者new等函数或操作符来动态分配内存，这⾥的内存说的是堆内存，并且需要程序员⼿⼯释放分配的内存。malloc对应free，new对应delete。⾄于你要混着⽤，也不是不可以，只要确保逻辑和功能的正确性，还要在规范的限制范围内。这⾥我想插⼀句题外话，我个⼈觉得，只要你将⼀些具有相似特征的东西都摸透了，他们的差异你就会很明了，在此基础上，随便你怎么⽤都是成⽵在胸的，只需要考虑⼀些外界因素就可以了，⽐如前⾯说的规范等。
本⽂是针对在栈上动态分配内存进⾏讨论，分配的内存即为栈内存，栈上的内存有⼀个特点即是不⽤我们⼿⼯去释放申请的内存。栈内存由⼀个栈指针来开辟和回收，栈内存是从⾼地址向低地址增长的，增长时，栈指针向低地址⽅向移动，指针的地址值也就相应的减⼩；回收时，栈指针向⾼地址⽅向移动，地址值也就增加。所以栈内存的开辟和回收都只是指针的加减，由此相对于分配堆内存可以获得⼀定的性能提升。由这些特性，也能对为什么叫“栈”内存有更进⼀步的理解。
我们都知道，在C99标准之前，C语⾔是不⽀持变长数组的，如果想要动态开辟栈内存以达到变长数组的功能就得依靠alloca函数。其实在gcc下，c99下的变长数组后台也是依靠alloca来动态分配栈内存的，当
然这⾥不能完全说是调⽤alloca来实现的，alloca可能被优化并内联（当然你还是可以说这是在调⽤）。这⾥就不纠结这个问题了，在本⽂不属于重点。实际中，alloca函数是不推荐使⽤的，他存在很多不安全的因素，这⾥暂时不讨论这个问题，本⽂的⽬的是了解原理，获得认知，以⾄通透。
通常编译器都提供了CRT库，例如VC的诸多版本，CRT库在⼀些版本间差异还是⽐较⼤，新版本的CRT⼀般会多了很多更严格的检查和⼀些安全机制。本⽂以VS2008为例，其为alloca提供了对应的_alloca函数，编译器会将其编译为_alloca_probe_16函数，此函数位于VC_dir\VC\crt\src\intel\alloca16.asm汇编源⽂件中，此乃微软提供的汇编版本CRT相关函数。在此⽂件中，有两个版本，⼀个是16字节对齐的_alloca_probe_16，⼀个是8字节对齐的_alloca_probe_8。代码如下：
32.
默认会编译为16字节对齐的版本，仔细看⼀下，这⾥所谓的16字节对齐倒也不⼀定，lea ecx, [esp] + 8这句获得进⼊此函数之前的esp 值并写⼊ecx中，这⾥加8的原因很明显，前4个字节是保存的ecx的值，后4个字节是函数的返回地址，加8即得到上⼀层函数调⽤本函数时的esp值，这⾥没有参数压栈，参数是寄存器传递的。因此，这个ecx的值可以假设为⼀个定值（这个值也是⾄少4字节对齐的），然后下⾯3句汇编代码中，eax是外部传⼊的要开辟栈内存字节数，这个字节数始终是4字节对
齐的。那么sub ecx, eax这句之后的结果就可以是4字节对齐且⾮16字节对齐，这样⼀来，在and ecx, ( 16 - 1 )并add eax, ecx后，eax的值就是⾮16字节对齐的。⾄于8字节对齐的版本，你可以试着推算⼀下会不会存在算出的eax是⾮8字节对齐的，这个不是难点。
在此函数⾥，我们发现还没有真正的开辟栈内存，因为esp（也就是前⾯提到的栈指针，也就是栈顶指针，上⾯的汇编代码中的TOS也就是栈顶：Top of stack的意思）的值还没有减去eax（申请内存的⼤⼩）⽽改变。然后我们注意到，在pop ecx还原ecx的值（因为此函数需要ecx来协助，因此进函数就push ecx保存，然后结束之后再pop 还原）之后，还有⼀个jmp跳转，跳转到了_chkstk，此函数很明显，意为：check stack，⽤于检查堆栈是否溢出。此函数通常会被编译器插⼊到某个开辟了⼀定⼤⼩函数头部，⽤于进⼊函数时进⾏栈内存溢出检查，例如你在⼀个函数中定义⼀个较⼤的数组，此时编译器会强制插⼊_chkstk函数进⾏检查（这⾥单指VC下，其他编译器的⽅式不⼀定⼀致）。
于是，到此可以猜测，这个_alloca_probe_16函数只是负责计算实际对齐后该分配多少字节的栈内存，并保存到eax中，由于_chkstk函数也会⽤到eax的值，这⾥也是通过寄存器传参的。并且可以看出_alloca_probe_16函数和_chkstk函数联系紧密，都是直接jmp过去的。
好了，来看看_chkstk函数吧，此函数位于之前的⽬录下，也是⼀个汇编源⽂件：chkstk.asm。代码如下：
45.
此函数较之前的要稍微复杂⼀些，不过代码还是⾮常清晰易懂的。还是解释⼀下吧，先来看lea ecx, [esp] + 8 - 4这句，与
_alloca_probe_16汇编代码相⽐较，多了⼀个减4，这⾥减4是因为从_alloca_probe_16函数到_chkstk函数之间是⽤的jmp，⽽不是call，因此没有返回地址，只有保存的ecx值的4个字节，所以少4个字节的偏移就能取到esp的值了。由于_alloca_probe_16函数是保持栈平衡的，并且没有改变esp的值，因此，_chkstk函数⾥取到的esp与_alloca_probe_16函数取到的esp是⼀样的。并且也都存放到了ecx中。后⾯⼀句与_alloca_probe_16函数的逻辑⼀样，都是将ecx（esp的值）减去eax（要分配的栈内存⼤⼩，已经由_alloca_probe_16函数对齐过）。这⼀句之后，ecx的值就是新的esp的值，如果栈没有溢出，那么esp将会被设置为这个新值，于是栈内存分配成功。
继续向下分析，紧接着下⾯3句，⽤得有⼀点巧妙。sbb eax, eax，sbb乃带借位减法指令，如果前⾯的sub ecx, eax存在借位（ecx⼩于eax），则sbb之后eax的值为0xffffffff，然后再not eax，eax将变成0，然后再and ecx, eax，则ecx变为0，也就意味着新的esp值为0。这⾥先放⼀下，待会⼉再向下分析。再看前⾯，sub ecx, eax存在借位，为什么会存在这样的情况，难道_alloca_probe_16函数不检查申请内存的⼤⼩的吗？的确，他并不会关⼼你想申请多少字节，他只是与_chkstk配合，让_chkstk能
够知道申请的内存过⼤就可以了，过⼤之后可以由_chkstk进⾏检查并抛出异常。那么我们来看_alloca_probe_16函数是怎么配合_chkstk函数的检查的呢。这⼜得回到_alloca_probe_16
函数的汇编源代码中，看这三句：
03.
eax为申请的⼤⼩，ecx为新的esp值，由sub ecx, eax计算获得。把这三句代码与_chkstk函数的三句代码结合着看，这⾥如果eax过⼤（申请空间过⼤），add eax, ecx之后，会溢出，即CF位为1。然后执⾏下⼀句sbb ecx,ecx，也就等同于：ecx = ecx - ecx - CF = 0 - 1 = -1 = 0xffffffff。然后在or eax, ecx，于是eax为0xffffffff，也就是传给_chkstk函数的申请空间⼤⼩。然后再看前⾯对_chkstk函数的分析，如果eax 为0xffffffff，那么肯定会sub溢出，于是ecx（新的esp值）最后为0。再看另外⼀种情况，如果在_alloca_probe_16中，eax的值⼤于ecx的值，那么sub之后，会溢出，在and ecx, ( 16 - 1 )之后，再add eax, ecx，此刻假设不会溢出，sbb之后，ecx为0，之后再or eax,ecx不会影响eax的值，但是此时eax还是⼤于ecx（esp的值）的。当eax传⼊_chkstk之后，sub会溢出。与eax为0xffffffff的结果⼀样，都使得ecx（esp的值）的值为0。所以由上⾯两种情况分析下来，_alloca_probe_16函数和_chkstk函数之间是有⼀定的配合的。也可以说是_alloca_probe_16函数适应了_chkstk的检查⽅案。
我们再继续向下分析_chkstk吧，看后⾯两句，先是mov eax,esp将当前的esp值交给eax，注意这⾥的
esp值是_chkstk内部已经压⼊保存了ecx原始值之后的esp，这个esp也就是最初有lea ecx, [esp] + 8 - 4获得的上层esp值减4（push ecx占⽤的4字节）。获得了当前esp值之后，⼜and eax, not ( _PAGESIZE_ - 1)，_PAGESIZE_为0x1000，也就是4096字节（4KB），即为windows页内存⼤⼩规则之⼀。这句代码也就是将当前esp所在的页剩下的字节全部减掉，到达这⼀页的末尾下⼀页的开始。这样做是⽅便后⾯的栈溢出检查。
之后，有两个标签cs10和cs20，cs10的开头是判断ecx是否⼩于eax，此刻的eax已经是某页的开头，如果ecx⼩于这个eax所存的地址值，则跳转到cs20标签⾥，cs20标签⾥代码很简单，进⼊就将eax减掉⼀页内存，然后是test    dword ptr [eax],eax这句，这句存在⼀个内存访问，可以想象如果eax所存的内存值不可读，那么就会抛出异常。这⾥正是利⽤这⼀点，当这⾥不异常，⼜会跳转到cs10标签⾥继续⽐较，如果还是⼩，则在减⼀页，再进⾏访问，直到ecx⼤于等于eax或者抛出异常。那么再想⼀下上⾯分析的逻辑，如果申请的空间过molloc函数
⼤，ecx的值会为0，那么在cs20中判断，0会⼀直⼩于eax，这样eax会⼀直减4K，直到eax为0，这⾥显然减不到0就已经抛异常了。当eax 减到⼀定时候，则会在test    dword ptr [eax],eax这句抛出⼀个栈溢出的异常，如下图：
如果继续执⾏，则会发⽣访问异常。如果申请的⼤⼩不会导致栈溢出，则当eax减到⼀定时候ecx⼤于等于eax，或者第⼀次进去时ecx就是⼤于等于eax的，则进⼊正常开辟空间的逻辑：
06.
第⼀⾏是将ecx（新的通过验证的esp）赋值给eax，然后是还原ecx的值，第三⾏就是将当前的esp值和eax做交换。esp便是开辟空间后的新值，此刻肯定⽐eax的值要⼩（栈向低地址延伸）。然后是第4句，此时eax是pop ecx之后的esp值，也就是call _alloca_probe_16函数压⼊了返回地址后的esp值，因此，第四句执⾏后，eax的值就是，_alloca_probe_16函数函数的返回地址，我们准备返回到上层，这⾥的上层不是_alloca_probe_16函数，因为他们之间不是call的，⽽是jmp的，不存在返回地址压⼊。这⾥的上层是_alloca_probe_16函数的上层。第5⾏，是将eax存⼊当前的esp指向的内存中，因为下⼀条指令ret，即将读取这个地址，并返回到上层，其间的原理请参考《）》，此⽂有相同的⽤法。
整个过程就是这样了，其实在很多C语⾔编写的实际项⽬中，还是有⽤到alloca。就我个⼈⽽⾔，我觉得不管他有什么优点和缺点，只要弄清楚了他的这些特性，完全可以规避他的缺点，⽽发挥他的优势。⽽且也确实动态分配适量的栈空间，能获得⼀些性能。本⽂只是为了介绍其原理和细节，不在此争论辩证性的论题。
如果要使⽤alloca，可以⾮常简单的使⽤，如下：
05.
不⽤⾃⼰管理释放，当函数结束时，esp会平衡。另外，需要提到的是，根据alloca申请的⼤⼩的变化，编译器可能在后台做⼀些调整，⽐如当申请的内存较⼩时，alloca直接被编译成_chkstk，⽽不会调⽤_alloca_probe_16函数，这也算是⼀个⼩⼩的优化吧。再⽐如，在VS2003下，不管申请多⼤的空间，都会将alloca直接编译成_chkstk。因为vs2003的CRT没有提供_alloca_probe_16函数的实现。
上⾯提到的alloca，在VC的CRT中其实是⼀个宏定义，#define alloca _alloca。另外还有⼀些CRT宏定义，例如_malloca，这个宏定义也等于是⼀层封装，在debug下，_malloca调⽤的是malloc，在release下，当申请的⼤⼩⼩于⼀定值时，调⽤的是alloca，否则调⽤malloc。因此，需要调⽤_freea来释放内存，_freea会根据标记，判断是malloc分配的还是alloca分配的，如果是malloc分配的堆内存则调⽤free，如果是alloca分配的栈内存，则不⽤释放。代码如下：
48.
【延伸】
这⾥延伸⼀个玩⼉的⽤法，就是在写C语⾔程序时，有多个函数参数是指针并且参数个数⼀样，这些函数的指针参数的类型都不⼀样，在C++⾥有template，在C⾥可没有。于是为了实现⼀个类似功能的东西，我们就可以⽤alloca来申请参数的空间，然后调⽤函数。代码如下：
30.
这⾥只是⼀个简单的例⼦，由于alloca申请的空间最后在函数结束时会平衡栈帧便回收了，⽽fun指针的调⽤是没有压⼊参数的，因此fun结束后不存在add esp，func函数是__cdecl调⽤约定，也不会在内部平衡栈，所以整个栈帧是平衡的。
PS：此例⼦纯属玩乐，了解其中原理⽽已，更复杂的情况，并没有测试和深⼊。
不知不觉已经凌晨3点半了，本⽂对于了解原理并熟悉汇编的朋友可能罗嗦了，可以直接略过分析，我该睡觉了！欢迎交流！

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。