STM32【8】堆栈和段的概念（1）

段的概念_重定位的引入

1. 全局变量和局部变量引入栈的概念

这里面有一个全局变量，一个局部变量

现在问2个问题：

- 1.全局变量保存在哪里？Flash还是RAM？

它的初始值肯定是保存在flash上，运行的时候，因为他是可读可写，所以运行时它肯定是在内存里

- 2.局部变量保存在哪里？

我们看看反汇编，就一清二楚了

C函数的第1个参数，放在寄存器R0里（这个是定死的，第一个参数在R0，第二个参数在R2.。。。。）

tmp在栈里
用val也就是r0来设置栈里的内容

tmp变量的地址是多少？ "sp+0"

可以看到局部变量的地址跟栈密切相关

参数个数小于4个的话都会用寄存器来传递 ，至于大于4个参数的话，就是其他的方式，具体没有研究过，不过肯定没有这个效率高。

可以得出结论：

局部变量的地址跟栈相关
SP的初始值是多少？可以影响后续的局部变量的地址
函数的调用深度，也会影响到栈
调用者的局部变量有多、有少，这也会影响到栈

我们再看看全局变量：

在返回的文件里面就可以看到全局变量的地址，他的初始值保存在哪里？

我们用一个比较特殊的数值来看看，static int g_a = 0x12345678；

这个全局变量的地址，在代码中怎么体现？

下图中，红框里面的两个数值，哪一个是全局变量g_a的地址？

去 0x800016c 处，读到一个数值0x20000000，这个数值就是g_a的地址

现在我们知道了：

局部变量的地址跟栈相关
全局变量的地址，对应的是内存（严格来说是RAM），但是它的地址是怎么确定的呢？

你链接程序时，需要指定"数据段"的起始地址：
我们使用这种简单的办法来指定"可读可写的内存"的基地址，基地址是0x20000000

在我们这个简单的程序里只有一个全局变量g_a，所以g_a的地址是0x20000000

在工程设置里，我们只是指定了内存的大小，这块内存怎么使用？

一部分用来保存全局变量，一部分用来当做栈，还可能有一部分没有用到

选择内存哪里当做栈？随你高兴，只要不会覆盖全局变量的空间就可以。

比如我们可以这样设置：

栈往下增长，如果定义一个局部变量：char [1000000000]会发生什么事？

执行时会发生什么事情？

这个情况比较极端，但是可以看到：

1.我们无法限定 栈的使用范围，如果你的程序写得不好，栈就会溢出

我们只能指定栈的TOP地址，无法限定栈往下增长的范围

2.这也就是我们为什么一般把栈的TOP地址设定在内存的最高位置的原因

尽可能让栈往下增长时，可以使用更多的空间。

二、堆是什么？

堆是什么？

堆是一块内存
这块内存一开始是空闲的，也就是没人使用
我们可以从这块内存里分配出一小块来使用
我们也可以在使用完后，把这一小块内存放回去以便再次分配

堆是空闲内存吗？不是，可以从里面划分出来使用，划分出来的这块被使用的内存，也属于堆

堆：程序员自己管理的内存，可以从中申请内存，可以回收内存。

你申请的内存，你想用来做什么都可以。但是，全局变量的地址是在连接时就确定了，所以它不在堆上。

深入讲解

FreeRTOS里定义了一个全局数组：
用数组的方式申请一大块内存，里面可以放任何的东西，注意不要溢出！
很多程序，是使用"空闲内存"
比如：全局变量从0x20000000开始，你设置栈执行一块0x200的内存，剩下的内存，如果你可以管理起来，能从中分配内存，它就是堆

当然，对于堆，我们管理它的时候肯定是要事先确定它的起始地址、结束地址

你从堆里划分空间时，从头部开始划分，或者从尾部开始划分，没有什么不同。

看看下面的代码：

c 复制代码

int heap_start = 0x20004000;
int heap_end   = 0x20005000;

void *malloc(int len)
{
   void *ret = heap_start;
   heap_start += len;
   return ret;
}

这段代码分配得到的内存，能够释放吗？

释放：就是让这块内存能再次使用，再次malloc

假设第1次：buf1 = malloc(10),

假设第2次：buf1 = malloc(20);

现在想去释放buf1，你能写出一个 free 函数吗？void free(void *buf);

写不出，为什么？

比如：free(buf1); 我没办法根据buf1这个参数知道buf1有多大

就是说不知道回收、释放多大的空间

从上面的图里，知道buf1的大小吗？

可能会告诉我：buf2 - buf1，就是大小

但是：

c 复制代码

void a()
{
 char *buf1 = malloc(10);

 b();

 free(buf1); // 根本无法访问另一个函数的局部变量buf2
}

void b()
{
 char *buf2 = malloc(20);
}

在我们这个场景里面，你没有办法知道buf2的地址，就没办法通过buf2-buf1确定buf1的长度

在实际应用中，你甚至不知道第2个malloc的地址是存在哪个变量里

所以，我们这个简单的malloc函数没有对应的free函数

我们使用的这个管理方法是有问题的，它可以分配空间，但是无法回收空间。

我们看看官方的malloc函数时怎么做的 ：

我们看看上面的malloc方法

buf1 = malloc(10);
分配的空间大小=10+头部
在头部里记录大小

多了个记录内存使用信息的头部用来管理

这种方法巧妙地把分配的内存的长度，记录了下来以后 free(buf1)时，怎么得到buf1的长度？

从头部读取buf1的长度记录

keil自带的malloc、free，大概就是这种方法

当然，内部实现会复杂得多

三. 段的概念

程序分为下面几个段（也就是连续空间分类存储）：

代码段、只读数据段、可读可写的数据段、BSS段。

c 复制代码

char g_Char = 'A';           // 可读可写，不能放在ROM上，应该放在RAM里
const char g_Char2 = 'B';    // 只读变量，可以放在ROM上
int g_A = 0;   // 初始值为0，干嘛浪费空间保存在ROM上？没必要
int g_B;       // 没有初始化，干嘛浪费空间保存在ROM上？没必要

所以，程序分为这几个段：

代码段(RO-CODE)：
存放程序的二进制机器指令，如函数代码。此段属性为只读，防止程序运行时被意外修改。C语言中所有函数的实现代码均存储在此区域。
可读可写的数据段(RW-DATA)：
存放已初始化且非零值的全局变量和静态变量，例如：int global_var = 100;。程序启动时需将数据从ROM复制到RAM中，保证运行时的可修改性
只读的数据段(RO-DATA)：
存储常量数据，例如字符串字面量、const修饰的全局变量等。该段同样为只读，加载时通常映射到ROM或内存的只读区域。例如：const int g_const = 10;会被分配到此段。
BSS段或ZI段：
存储未初始化或初始值为零的全局变量和静态变量（如int uninit_var;或static int zero_var = 0;）。此段在程序加载时由系统自动清零，无需占用ROM空间，仅记录所需内存大小
堆（Heap）
动态内存分配区域，通过malloc/free管理。其地址空间向上增长，由程序员显式控制生命周期
栈（Stack）
存放函数调用的局部变量、参数及返回地址。其地址空间向下增长，由编译器自动分配和释放，具有LIFO（后进先出）特性

动态分配区（堆区）的溢出通常不会直接影响静态分配区 （如.data段、.bss段、.rodata段），但存在间接影响的可能性。以下是具体分析：

一、内存布局隔离性

静态分配区的固定性

静态分配区（.data、.bss、.rodata）的地址在程序启动时已确定 ，且位于内存的低地址到中地址区域 ，与堆区（动态分配区）的高地址区域物理隔离。例如：
- .data段存放已初始化的全局变量（如int g_var = 10;）。
- .bss段存放未初始化的全局变量（如int g_uninit;）。
- .rodata段存放只读数据（如字符串常量"Hello"）。
堆区的动态扩展方向

堆区通过malloc等函数动态分配内存，其地址向高地址扩展 ，与静态分配区无直接相邻性。因此，常规的堆溢出（如malloc分配的缓冲区溢出）通常只会覆盖堆内的相邻动态内存块，而非静态区。

二、溢出影响的边界条件

在极端情况下，动态分配区溢出可能间接影响静态区：

堆内存管理结构破坏

堆溢出可能篡改堆内存管理器（如malloc的元数据），导致后续分配行为异常。若攻击者通过溢出修改堆管理器的指针，可能触发任意地址写入，理论上可覆盖静态区的数据。例如：
c 复制代码
```
// 堆溢出篡改堆元数据
char *heap_ptr = malloc(16);
strcpy(heap_ptr, overflow_data);  // 溢出覆盖堆元数据
free(heap_ptr);  // 触发异常的内存回收逻辑
```
特殊内存布局的嵌入式系统

在内存资源受限的嵌入式系统中，若堆区与静态区地址空间重叠或紧邻，溢出可能直接覆盖静态区。但这类设计在通用操作系统中极为罕见。
全局函数指针篡改

若静态区中存在函数指针（如static void (*func_ptr)();），且堆溢出导致该指针被覆盖，可能通过func_ptr()调用攻击者注入的代码，间接影响静态区关联的逻辑。

三、防护机制与开发建议

内存隔离技术
- 地址空间随机化（ASLR）：随机化堆、栈、静态区的基址，增加溢出预测难度。
- 数据执行保护（DEP）：标记静态区为不可执行（NX位），防止注入代码运行。
编码规范
- 对动态分配的内存进行边界检查 （如使用strncpy代替strcpy）。
- 使用内存安全语言（如Rust）或工具（如AddressSanitizer）检测堆溢出。

四、总结

场景	是否影响静态区	说明
常规堆溢出	❌ 否	溢出仅影响堆内部结构或相邻动态内存块
堆元数据篡改	⚠️ 可能	通过任意地址写入可间接修改静态区
特殊内存布局系统	⚠️ 可能	嵌入式系统中堆与静态区紧邻时可能受影响
函数指针/全局变量覆盖	✅ 是	若静态区存在可写指针或敏感数据，可能被间接篡改

结论：在标准编程实践和现代操作系统保护下，动态分配区溢出不会直接影响静态分配区，但需警惕间接攻击路径。开发者应优先采用安全编程实践和防护技术。

STM32【8】堆栈和段的概念（1）

目录

段的概念_重定位的引入

1. 全局变量和局部变量引入栈的概念

二、堆是什么？

三. 段的概念

一、内存布局隔离性

二、溢出影响的边界条件

三、防护机制与开发建议

四、总结