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大白话聊栈溢出(stack overflow)

大家肯定都知道 Stack Overflow 这个网站吧,它是全球最大的技术问答网站,国内很多程序员也在使用。

官网网址是:https://stackoverflow.com/

Stack Overflow 这个名字,其实是一种程序的运行时(runtime)错误,中文翻译过来叫做“栈溢出”。

这里的栈(Stack),并不是数据结构中的栈,而是程序内存中的一个分段,或者说一个分区。

一个程序可以使用很多内存,不同的内存有不同的作用,为了方便管理,操作系统会对程序的内存空间进行分区,把具有相同作用的内存都归纳到一个区域之中。

严格来说,这里的内存空间应该叫做“虚拟地址空间”,或者“虚拟内存空间”,不过为了照顾大部分初学者,站长就不照本宣科了。

例如,在经典的 32 位环境下,程序可以使用的内存为 4GB,Linux 会按照下图进行分区。


图片里的“内核空间”是被操作系统占用的,我们没法直接干预;图片里的“保留区域”也不用来存储数据,只用作一些特殊目的,比如,你可以让空指针指向这里。

除了这两个区域,剩下的那些内存才是被我们自己编写的程序所占用的,也就是图中的①和②两个部分,这其中:
在第①部分中,有一个分段叫做栈(Stack),它只在一种情况下才会被用到,就是发生函数调用。

函数被调用的时候,有很多数据需要暂时压入栈中,也就是存储到栈中,包括:
局部数据是我们在函数内部定义的,它们的作用域也仅限于函数内部,只有等到函数被真正调用时,才会被实际创建出来,也就是分配好内存。

至于隐藏数据,是为了实现函数的调用过程,并保证在函数退出时能够恢复到调用之前的场景,而不得不额外增加的一些冗余数据。这些隐藏数据都由编译器分配,程序员自己是没法干预的。

以上提到的所有这些被压入栈中的数据,通常被称为栈帧(Stack Frame)或者函数活动记录(Activate Record)

函数每调用一次,就会生成一个栈帧,这个过程被称为函数入栈;当函数调用结束时,栈帧就会被销毁,腾出内存来供其它函数使用,这个过程被称为函数出栈

调用开始时,先调用的函数先入栈,后调用的函数后入栈;调用结束时,后调用的函数先出栈,先调用的函数后出栈。你看,这和数据结构中栈的进出方式是一样的,所以这段内存区域才被叫做栈。

这里有一个常识,就是一个线程拥有一个栈,栈中的数据是被当前线程独占的,其它线程不能访问。

为了保证可以同时运行多个线程,比如几十个,或者成百上千个,编译器不会给单一线程分配太多的栈内存,一般也就 1MB~8MB。

栈内存的大小在编译时就已经确定了,程序在运行期间不能改变,所以如果程序使用的栈内存超出最大值,就会发生栈溢出(Stack Overflow)错误。

栈内存的大小和编译器有关,编译器会为栈内存指定一个最大值,在 VC/VS 下,默认是 1M,在 C-Free 下,默认是 2M,在 Linux GCC 下,默认是 8M。当然,我们也可以通过参数来修改栈内存的大小。

一般情况下,栈内存都是够用的,但是如果遇到以下两种情况,栈内存就会捉襟见肘:
这是发生栈溢出错误的典型场景。

我们不妨来看一段代码:
int main(){
    char str[1024*1024*2] = {0};
    return 0;
}
我们使用 VS2010 的 Debug 模式进行编译,然后运行,就会出现如下错误:

这里我们定义了一个大规模数组,它需要占用 2MB 内存,而 VS 的栈内存默认只有 1MB,所以就发生了栈溢出错误。

栈溢出是一种致命错误,发生栈溢出错误以后,我们的程序就没法再继续运行了,你只能关闭它,没有其它的挽救措施。

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