C++程序的堆栈大小是如何确定的？

Question

我知道最大堆栈大小通常在链接时固定（可能在Windows上是这样）。

但是我不知道程序堆栈大小（仅限已使用的堆栈大小，而非最大堆栈大小）何时被固定到操作系统中。是编译时？链接时？执行时？

就像这样：

int main(){ int a[10]; return 0;}

该程序只使用了10 * sizeof(int)的堆栈。那么，堆栈大小是固定的吗？

首先，如果在malloc或free时更改堆大小呢？

- Alps1992

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它是在进程执行时由操作系统分配的。 - πάντα ῥεῖ

值得一提的是，栈的大小并非固定不变的，它会在运行时按需扩展，但栈的限制是固定的。 - Sourav Ghosh

在我看来，这个问题极其不清晰。请考虑把每个问号放在适当的位置上，即放在一个良好形式和易读的问题结尾处。例如，“so”不是一个问题，“if the size is fixed”也不是一个问题。 - barak manos

谢谢你的回答。我只是在公司面试时被问到了这个问题。 - Alps1992

好的...“所以，如果大小是固定的”也不是一个问题！！！ - barak manos

Answer 1

程序被加载时，操作系统并没有显式地提供堆栈大小。相反，操作系统使用页面错误的机制（如果MMU支持）。

如果您试图访问尚未被操作系统授予的内存，则MMU会生成一个页面错误，该错误由操作系统处理。操作系统检查页面错误的地址，并创建新的内存页以扩展堆栈，或者如果您已经耗尽了堆栈限制，则将其处理为堆栈溢出。

考虑在x86和Linux上运行以下程序：

void foo(void) {
    volatile int a = 10;
    foo();
}

int main() {
    foo();
}

由于无限递归和栈溢出，程序会出现故障。实际上，需要无限的堆栈才能完成。当程序加载时，操作系统分配初始堆栈并将其写入%rsp（堆栈指针）。让我们来看一下foo()的反汇编：

push   %rbp
mov    %rsp,%rbp         <--- Save stackpointer to %rbp
sub    $0x10,%rsp        <--- Advance stack pointer by 16 bytes
movl   $0xa,-0x4(%rbp)   <--- Write memory at %rbp
callq  0x400500 <foo>
leaveq 
retq 

当foo()被调用了最多4096 / 16 = 256次时，你将会在地址X + 4096处写入内存，其中X是初始的%rsp值，这会导致越界。此时会产生页错误，操作系统会为栈提供新的内存页，以便程序继续使用。

当foo()被调用了约500k次（默认Linux ulimit的栈大小限制）后，操作系统会检测到应用程序使用了过多的栈页，并向其发送SIGSEGV信号。

- myaut

Answer 2

在回答一个问题时，我提供了以下信息：

BSS/DATA段包含所有全局变量，这些变量被初始化为特定值或默认为零。该段是可执行映像的一部分。在加载时，堆段被添加到其中；然而，它不是一个“段”，而只是要作为已加载的BSS/DATA段的扩展分配的额外数据量。同样，栈“段”也不是真正的段，而是添加到BSS+堆段中。栈向下增长，而堆向上增长。如果它们重叠（使用更多堆并且栈仍在增长），则会发生“内存不足”错误（堆）或“堆栈溢出”（栈）- 可以通过使用段寄存器（Intel）触发硬件生成的异常或使用软件检查来检测到这种情况。

这是布置段的传统方式。想象一下旧的英特尔芯片，所有程序数据必须在64KB中。对于更现代的芯片，通常使用相同的布局，在此布局中使用32MB的地址空间，但只使用实际需要的物理内存。因此，栈可以非常大。

- Paul Ogilvie