计算机内存

以最简单的名词来说，计算机内存是一种电子装置，能够存储和检索数据。内存能够 存储的最少的数据量是 1 bit，由内存中的 1 或 0 表示。当把 4 个 bit 放在一起时，称作“半 字节”（nibble），可以表示从 0000~－1111 的值。这刚好是 16 个二进制值，对应于十进制下 的 0~－15。当把两个半字节或 8 个 bit 放到一起时，即为一个“字节”（byte），这可以表示 十进制中的 0~255。如果把两个字节放到一起，即为一个“字”（word），可以表示十进制 下的 0~65 535。继续把数据放到一起，如果把两个“字”放到一起，则得到一个“双字 DWORD”，可以表示十进制下的 0~4 294 967 295。

计算机内存有多种类型，这里将主要讨论随机存储器（Random Access Memory，RAM）

和寄存器。寄存器是一种特殊形式的内存，嵌入到处理器内部，将在 7.4.1 节讨论。

7.3.1 RAM

在 RAM 中，任意存储的任意数据块可以在任意时间访问，这也是随机存取（Random Access）这个名字的由来。但 RAM 是易变的，这意味着如果计算机关闭，那么 RAM 中所 有的数据都将丢失。在讨论 Intel 的产品（x86）时，内存是按 32 位寻址的，这意味着处理

器用来选择特定内存地址的地址总线为 32 位宽。因此，x86 处理器最多能够寻址 4 294 967 295 字节。

7.3.2 字节序

Danny Cohen 在 1980 年曾对 Swift 的格列佛游记（Gulliver travels）做过综述：

“对格列佛游记的一些附注：

格列佛发现有一条法律，由现在的统治者的祖父颁布，要求所有小人国

（Lilliput）的公民在打蛋时，都只能将鸡蛋的小头打破。当然，那些在鸡蛋大头 打蛋的公民都被这条法律激怒了。对打破鸡蛋的方向，持有两种不同观点的人群 发生了内战，导致坚持在鸡蛋大头打蛋的人逃到附近的一个岛上，成立了新的王 国 kingdom of Blefuscu…”。

他接着描述了双方之间爆发的一场圣战。他的文章实际上描述了把数据写入内存时的 两种不同意见。有些人认为高位字节应该首先写入（称作“Little Endian”），而其他人则认

为低位字节应该首先写入（称作“Big Endian”）。这种差别，实际上依赖于所使用的硬件。

例如，在基于 Intel 的处理器上，使用 Little Endian；而在基于 Motorola 的处理器上，则使 用 Big Endian。在稍后讨论 shellcode 时，两种字节序是有区别的。

7.3.3 内存分段

内存分段的主题，可以用一整章来讲述，但基本概念比较简单。每个进程（在特别简 化的情况下，可以认为是一个执行的程序）需要访问内存中属于自身的区域，因为没有人 希望一个进程去改写另一个进程的数据。因此，可将内存划分为小的段，按需分发给进程。

寄存器用来存储和跟踪进程当前维护的段（寄存器将稍后讨论）。偏移寄存器（Offset Registers）用来跟踪关键的数据放在段中的位置。

7.3.4 内存中的程序

在进程被载入内存中时，基本上被分裂成许多小的节（section）。我们比较关注的是 6 个主要的节，将在以后几节里分别讨论。

.text节

.text 节基本上相当于二进制可执行文件的.text 部分，它包含了完成程序任务的机器指 令。该节标记为只读，如果发生写操作，会造成 segmentation fault。在进程最初被加载到 内存中开始，该节的大小就被固定。

.data节

.data 节用来存储初始化过的变量，如：

int a = 0;

该节的大小在运行时是固定的。

.bss节

栈下节（below stack section，即.bss）用来存储未初始化的变量，如：

int a;

该节的大小在运行时是固定的。

第 ３ 部分

堆节

堆节（heap section）用来存储动态分配的变量，位置从内存的低地址向高地址增长。

内存的分配和释放通过 malloc()和 free()函数控制。例如，在运行时声明一个整数并分配内 存，读者可能想到这样做：

int i = malloc (sizeof (int)); //动态分配一个整数（指针）变量，

//其值是分配之前该处内存的值。

栈节

栈节（stack section）用来跟踪函数调用（可能是递归的），在大多数系统上从内存的 高地址向低地址增长。读者会看到，栈增长的这种方式，导致了缓冲区溢出的可能性。

环境/参数节

环境/参数节（environment / arguments section）用来存储系统环境变量的一份复制文件，

进程在运行时可能需要。例如，运行中的进程，可以通过环境变量来访问路径、shell 名称、

主机名等信息。该节是可写的，因此在格式串（format string）和缓冲区溢出（buffer overflow）

攻击中都可以使用该节。另外，命令行参数也保存在该区域中。上述各节在内存中的顺序，

与笔者介绍的顺序相同。进程的内存空间如下所示：

低地址 高地址

堆 未使用 栈 环境

.text .data .bss

7.3.5 缓冲区

缓冲区（或缓存，buffer）是指这样的一个存储区域：该区域用来接收和保存数据，直 至进程对数据进行处理。由于各个进程都有自己的缓冲区，所以保持各进程的缓冲区彼此 无关是很重要的。通过在进程内存的.data 或.bss 节分配内存，可以做到这一点。要记住，

在内存分配之后，缓冲区的长度是固定的。缓冲区可以保存任何预定义类型的数据，但我 们目前将主要注意基于字符串的缓冲区，这种缓存区用来保存用户的输入和变量。

7.3.6 内存中的字符串

简而言之，字符串数据只不过是内存中连续的字符构成的数组。在内存中，是通过字 符串第一个字符的地址来引用一个字符串。字符串结束于空字符（C 语言中的\0）。

7.3.7 指针

指针是内存中特定的数据，用于保存其他内存区的地址。在内存中移动数据是相对较 慢的操作。如果不移动数据，只是跟踪数据项在内存中的位置（通过指针）并改变指针的 值，那要容易得多。由于内存地址是 32 位长（4 字节），因此指针保存在内存中 4 个连续 的字节里。例如，字符串是通过字符数组中第一个字符的地址进行引用，该地址值被称作 一个指针。因此 C 语言中一个字符串变量的声明如下：

char * str; //代码的意思是，要提供4个字节来保存str，而str是一个指向字符变量 //（可以是字符数组的第一个字节）的指针。

重要的是注意到，即使指针的大小是 4 个字节，但上述的声明并没有限定字符串的长 度，因此编译器将认为该数据是未初始化的，会将其放到进程内存的.bss 节。

以下是另一个例子，如果读者需要存储一个指针，指向内存中的一个整数，可以在 C 程序中使用下述声明：

int * point1; // 代码的意思是，要提供4个字节来保存point1，

// 这是个指向整型变量的指针。

为读取指针指向的内存地址中的值，可以使用*符号对指针反引用。因此，如果打算输 出上述代码中 point1 指向的整数的值，可以使用下述语句：

printf("%d", *point1);

其中*用来反引用 point1 指针，而 printf()函数则用来输出整数的值。

7.3.8 操作不同的内存区

现在读者已经了解了基础知识，我们来给出一个简单的例子，以声明如何在程序中使 用内存：

/* memory.c */ // 注释，给出程序名

int index = 5; // 存储在.data节中的整数（已经初始化）

char * str; // 存储在.bss节中的字符串（未初始化）

int nothing; // 存储在.bss节中的整数（未初始化）

void funct1(int c){ // 大括号，标志funct1的开始

int i=c; // 该变量存储在栈中

str = (char*) malloc (10 * sizeof (char)); // 在堆中分配10个字符的空间 strncpy(str, "abcde", 5); // 将5个字符"abcde"复制到str

} // funct1的结束

main (){ // main函数，必需

funct1(1); // main用参数1调用funct1

} //main函数的结束

第 ３ 部分

这个程序没有做什么有用的事情。首先，在进程内存不同的节中分配了几块内存。在 main 执行时，用参数 1 调用 funct1()。在调用 funct1()时，参数被传递到函数变量 c。接下 来，在堆上为字符串 str 分配了 10 字节的内存。最后，把 5 字节长度的字符串“abcde”复 制到变量 str 中。函数 funct1 结束后，main()程序结束。

警告：在阅读后文前，必须扎实地掌握了上述知识。如果需要复习本章的哪个 部分，请在继续阅读前进行。

参考文献

[1] Smashing the Stack.., Aleph One www.mindsec.com/files/p49-14.txt [2] How Memory Works http://computer.howstuffworks.com/c23.htm [3] Memory Concepts www.groar.org/expl/beginner/buffer1.txt

[4] Little-Endian vs. Big Endian www.rdrop.com/~cary/html/endian_faq.html