堆栈何时增长？操作系统如何知道何时增长堆栈？

Question

注意：这个问题是关于 x86_64 架构和 Linux ABI。

当程序启动时，会为堆栈分配一些空间。稍后，在程序执行期间，堆栈区域可以调整大小（当需要更多空间时）达到操作系统指定的某个最大值。

让我们以简单的程序为例：

int main() {
    char bytes[7 * 1024 * 1024];
}

让我们在 gdb 下运行它并设置断点：main 之前和声明数组之后。

gdb> b *main
gdb> b main
gdb> r
gdb> info proc mapping // breakpoint before pushing stack
          Start Addr           End Addr       Size     Offset objfile
      0x7ffffffde000     0x7ffffffff000    0x21000        0x0 [stack]
gdb> c
gdb> info proc mapping // breakpoint after pushing stack
          Start Addr           End Addr       Size     Offset objfile
      0x7fffff8fe000     0x7ffffffff000   0x701000        0x0 [stack]

所以我们可以看到堆栈实际上被调整了大小。

问题是操作系统如何知道何时必须调整堆栈大小？. 一些互联网资源说操作系统处理page fault exception，如果访问的地址在可能的堆栈地址范围内，它会被调整大小。

但是当我一步一步调试程序时，结果是，在执行以下指令后，堆栈的大小就被调整了：

0x40129d <main+4>     sub    rsp, 0x700010

所以（据我所知）还没有page fault，因为我们实际上没有访问地址。我们只更改rsp注册。那么操作系统如何处理它呢？或者也许有一个page fault exception改变后rsp？

Answer 1

但是当我一步步调试程序时，结果发现，在执行以下指令后，堆栈的大小就被调整了：

0x40129d <main+4>     sub    rsp, 0x700010

这是不正确的。如果您单步执行所显示的程序（即使在没有优化的情况下进行编译），则映射根本不会增加，因为没有对堆栈页进行写入。

但即使您单步执行一个不那么简单的程序，您也会看到映射不会在sub指令上发生变化，而是在每次对堆栈的不断增加的访问上发生变化。

例如，如果您这样做：

bytes[0] = 42;

你会看到它增加了 0x70000，因为你正在写入顶部。但如果你这样做：

bytes[3 * 1024 * 1024] = 42;

您将看到它仅增加了 0x40000。

请注意，如果您遇到的指令恰好压入堆栈，例如call.