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1、数智创新数智创新 变革未来变革未来安全关键系统中的堆与栈1.堆与栈的存储分布差异1.堆与栈的生命周期区别1.堆与栈的内存分配方式1.堆与栈对系统安全的影响1.栈溢出攻击原理及防御1.堆溢出攻击原理及防御1.堆和栈在安全关键系统中的保障措施1.自动化工具对堆和栈安全的检测Contents Page目录页 堆与栈的存储分布差异安全关安全关键键系系统统中的堆与中的堆与栈栈 堆与栈的存储分布差异存储分配方式1.堆：由程序员显式分配和释放，在运行时分配，分配大小可变。用于存储动态数据结构，如链表、树。2.栈：由编译器自动分配和释放，在函数调用时分配，分配大小固定。用于存储函数参数、局部变量和临时数据。访
2、问方式1.堆：通过指针访问，可以灵活动态地扩展和缩小。但由于指针引用，存在内存泄露和越界访问风险。2.栈：以 LIFO（后进先出）的方式访问，访问效率高，但存储空间受限，无法动态扩展。堆与栈的存储分布差异内存使用效率1.堆：内存利用率较低，分配和释放频繁，容易产生碎片化，造成浪费。2.栈：内存利用率较高，分配和释放高效，不产生碎片化。安全性1.堆：由于使用指针，存在内存泄露、缓冲区溢出等安全漏洞，需要谨慎使用。2.栈：访问受限，不易产生安全漏洞，但栈溢出攻击仍是常见的安全威胁。堆与栈的存储分布差异并行支持1.堆：可以支持多线程并发访问，但需要线程同步机制，避免竞争和死锁。2.栈：一般不支持多线
3、程并发访问，每个线程有自己的栈空间，避免了竞争和死锁。优化策略1.堆：采用内存池、智能指针等优化策略，减少分配释放的开销和内存泄露风险。2.栈：采用帧指针寄存器优化函数调用，减少栈帧切换的开销。堆与栈的生命周期区别安全关安全关键键系系统统中的堆与中的堆与栈栈 堆与栈的生命周期区别堆与栈的生命周期区别1.分配机制：-堆：动态分配，程序运行时根据需要分配 -栈：静态分配，编译时确定2.数据生命周期：-堆：数据存在于堆区中，由程序员负责手动释放 -栈：数据存在于栈区中，函数执行完毕后自动释放3.内存管理：-堆：需要程序员手动管理内存，存在内存泄露风险 -栈：由编译器自动管理内存，不存在内存泄露风险堆
4、中数据释放1.释放方式：-使用 free()或 delete 运算符释放 -通过智能指针（如 shared_ptr）自动释放2.释放时机：-数据不再被使用时应及时释放 -未释放的堆内存会导致内存泄露3.释放错误：-双重释放：重复释放同一块内存 -野指针释放：释放未分配的内存地址 堆与栈的生命周期区别栈中数据释放1.释放方式：-栈中的数据在函数执行完毕后自动释放 -不需要程序员手动释放2.释放时机：-数据所在的函数执行完毕时自动释放3.释放错误：-栈溢出：栈内存被过度使用，导致程序崩溃 堆与栈的内存分配方式安全关安全关键键系系统统中的堆与中的堆与栈栈 堆与栈的内存分配方式主题名称：基于寄存器的堆
5、栈分配1.将堆栈保存在专门的寄存器中，消除了栈指针的开销。2.固定大小的堆栈段，简化了内存管理和减少了碎片化。3.提高性能，因为寄存器访问速度比内存访问更快。主题名称：硬件栈检查1.在硬件级别强制执行栈边界，防止栈溢出攻击。2.使用哨兵值或 canary 值来检测非法的栈操作。3.提高了系统安全性和可靠性。堆与栈的内存分配方式主题名称：分段堆分配1.将堆划分为多个段，具有不同的访问权限和保护级别。2.防止未经授权的代码或数据访问敏感区域，增强了系统隔离。3.简化了内存管理和提高了可扩展性。主题名称：伙伴系统分配1.将空闲内存块划分为大小递减的伙伴，允许高效分配各种大小的块。2.减少了碎片化，提
6、高了内存利用率。3.适合于实时系统，需要快速、确定性的内存分配。堆与栈的内存分配方式主题名称：池分配1.预先分配固定大小对象池，加快了内存分配和释放过程。2.减少了碎片化和降低了开销，提高了性能。3.适用于需要频繁分配和释放相同大小对象的场景。主题名称：显式堆管理1.由开发者手动控制内存分配和释放，提供了更大的灵活性。2.要求开发者对内存管理有深刻的理解，否则容易出现错误。堆与栈对系统安全的影响安全关安全关键键系系统统中的堆与中的堆与栈栈 堆与栈对系统安全的影响堆与栈对系统安全的影响主题名称：栈溢出1.栈溢出是指程序写入超出其分配栈空间的边界的情况，导致程序崩溃或执行任意代码。2.栈溢出通常由
7、缓冲区溢出导致，当程序试图写入比分配空间更大的缓冲区时发生。3.缓解栈溢出的一种技术是使用栈保护器，它可以在写入超出的栈空间时检测并防止溢出。主题名称：堆溢出1.堆溢出是指程序写入超出其分配堆空间的边界的情况，可能导致数据损坏或任意代码执行。2.堆溢出通常由指针错误或缓冲区溢出导致，当程序访问或写入未分配或已释放的内存时发生。3.检测和预防堆溢出的技术包括：使用边界检查器来验证指针操作，使用堆分配器来管理内存分配，以及使用测试工具来检测可能的溢出。堆与栈对系统安全的影响主题名称：用后释放1.用后释放是指在使用指针访问内存后释放该内存的情况，可能导致程序崩溃或执行任意代码。2.用后释放通常发生在
8、指针丢失对已释放内存的引用时，该内存随后被重新分配给其他用途。3.缓解用后释放的一种技术是使用自动内存管理，它可以自动跟踪和释放内存分配，减少释放后使用指针的风险。主题名称：双重释放1.双重释放是指两次释放同一块内存的情况，可能导致程序崩溃或数据损坏。2.双重释放通常发生在对同一块内存存在多个指针时，或者在释放指针后尝试再次使用该指针时。3.避免双重释放的一种技术是使用引用计数，它可以跟踪内存的引用次数，并在引用计数降至零时释放内存。堆与栈对系统安全的影响主题名称：野指针1.野指针是指指向无效或未分配内存的指针，可能导致程序崩溃或执行任意代码。2.野指针通常发生在指针指向释放或未初始化的内存时
9、，或者在指针操作出现错误时。3.检测和预防野指针的技术包括：使用指针验证器来检查指针的有效性，使用边界检查器来确保指针操作不会超出边界，以及使用调试工具来检测空指针引用。主题名称：零化1.零化是指在释放内存之前将其内容设置为零或其他无效值，以防止敏感数据被泄露。2.零化对于防止缓冲区溢出和用后释放等攻击至关重要，因为它可以覆盖攻击者可能利用的残留数据。栈溢出攻击原理及防御安全关安全关键键系系统统中的堆与中的堆与栈栈 栈溢出攻击原理及防御栈溢出攻击原理-栈溢出攻击利用缓冲区溢出，通过修改相邻地址中的数据来修改程序的执行流。-攻击者将恶意数据写入目标程序的栈缓冲区，覆盖返回地址或其他关键变量，从而
10、控制程序执行。-常见的栈溢出攻击类型包括：格式字符串攻击、缓冲区溢出攻击和整数溢出攻击。栈溢出防御-使用边界检查：检查输入数据的长度并防止超出缓冲区大小。-使用堆栈隔离：将堆和栈分开，防止堆溢出影响栈。-使用堆栈保护技术：例如栈保护器和影子栈，检测和阻止栈溢出攻击。自动化工具对堆和栈安全的检测安全关安全关键键系系统统中的堆与中的堆与栈栈 自动化工具对堆和栈安全的检测自动化工具对堆和栈安全的检测主题名称：内存泄漏检测1.堆内存泄漏检测：-检测释放后仍然被程序引用的堆内存，这可能导致程序崩溃或数据损坏。-利用工具如Valgrind或 AddressSanitizer 来跟踪内存分配和释放行为，识别
11、未释放的内存块。2.栈内存泄漏检测：-栈内存泄漏是指局部变量在函数返回后仍然保持在栈中的情况，导致栈使用过量或程序崩溃。-使用工具如 StackGuard 或 Electric Fence，它们在栈溢出发生之前向栈添加保护措施。3.引用计数检测：-采用引用计数来管理对象的生命周期，当引用计数降为零时，对象将被释放。-工具如 Valgrind 或 LeakSanitizer 可以跟踪引用计数并检测引用计数错误，如悬空指针或双重释放。自动化工具对堆和栈安全的检测主题名称：缓冲区溢出检测1.基于堆栈的缓冲区溢出检测：-检测对函数局部变量或堆分配缓冲区的非法写入，这可能导致程序崩溃或代码执行。-利用工
12、具如 AddressSanitizer 或 Valgrind，它们在缓冲区操作中插入边界检查，并报告溢出情况。2.指针溢出检测：-检查指针操作，如指针算术和数组索引，以确保它们不超出预期的内存范围。-工具如 PointerSanitizer 或 Cppcheck 可以分析指针操作并检测可能导致溢出的情况。3.基于 taint 分析的检测：-在程序执行过程中跟踪数据的流向，标识可能被外部输入污染的数据。-工具如 TaintCheck 或 AddressSanitizer 可以检测用户输入中的缓冲区溢出，防止它们被利用攻击程序。自动化工具对堆和栈安全的检测1.传统方法：-使用守卫页（Guard Page）在栈顶部插入不可访问的内存区域，当栈溢出发生时，引发异常或终止程序。2.基于堆栈标记的检测：-将标记插入栈内存中，当函数返回时验证标记以检测栈溢出。3.基于 canaries 的检测：主题名称：栈溢出检测数智创新数智创新 变革未来变革未来感谢聆听Thank you
