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1、数智创新数智创新 变革未来变革未来硬件支持的堆管理1.硬件支持的堆管理概念1.内存管理单元的作用1.分页和分段技术1.虚拟地址翻译机制1.栈溢出和堆溢出区别1.硬件堆栈保护机制1.地址空间布局随机化1.段失效保护Contents Page目录页 硬件支持的堆管理概念硬件支持的堆管理硬件支持的堆管理 硬件支持的堆管理概念主题名称：动态内存分配*堆是动态分配的内存区域，用于存储程序运行时分配的对象。*堆管理系统负责分配和释放堆中的内存块，以满足程序的内存需求。*动态内存分配提供程序灵活性和效率，允许程序在运行时根据需要分配和释放内存。主题名称：内存寻址*硬件地址转换机制将虚拟地址（程序代码和数据使
2、用的地址）转换为实际地址（内存中的物理地址）。*寻址单元通常是字节，但可能因硬件架构而异。*寻址能力决定了硬件可以访问的最大内存量。主题名称：分页 硬件支持的堆管理概念*分页将内存划分为固定大小的块，称为页。*分页表将虚拟地址映射到物理地址，实现内存管理和保护。*分页允许物理内存非连续分配，并简化了内存管理。主题名称：分段*分段将内存划分为可变大小的段，每个段有其自己的访问权限。*段表将虚拟地址映射到物理地址，并提供内存保护和模块化。*分段允许进程隔离，并简化了程序代码和数据的组织。主题名称：虚拟内存 硬件支持的堆管理概念*虚拟内存是一种技术，允许程序访问比实际物理内存更多的地址空间。*操作系
3、统使用页面文件或交换分区将不经常使用的内存页面交换到磁盘。*虚拟内存扩展了可用内存，提高了程序性能。主题名称：内存保护*硬件内存保护机制防止未经授权的访问和修改内存。*访问权限（例如读写权限）可以按段、页或其他内存区域定义。内存管理单元的作用硬件支持的堆管理硬件支持的堆管理 内存管理单元的作用主题名称：内存访问控制1.MMU负责将虚拟地址翻译成物理地址，确保进程只能访问分配给它们的内存区域。2.虚拟内存管理允许进程拥有比物理内存更大的地址空间，通过页表机制实现分页。3.段表分段机制将内存空间划分为不同权限的段，实现不同内存区域的访问控制。主题名称：内存保护1.MMU提供内存保护机制，防止进程意
4、外访问其他进程的内存或操作系统内存。2.权限位标识内存页或段的可访问权限，例如读/写/执行。3.MMU通过异常机制捕获非法内存访问，并向操作系统报告，防止系统崩溃。内存管理单元的作用主题名称：分页1.分页将虚拟地址空间等分成固定大小的页，物理内存也分成大小相同的页面。2.页表用于维护虚拟页和物理页之间的映射关系。3.分页允许灵活分配物理内存，实现内存虚拟化，提高内存利用率。主题名称：分段1.分段将虚拟地址空间划分为可变大小的段，每个段具有不同的属性和权限。2.段表用于维护虚拟段和物理段之间的映射关系。3.分段提供了灵活的内存分配和保护机制，适合组织结构化的数据，例如程序代码段和数据段。内存管理
5、单元的作用主题名称：虚拟内存1.虚拟内存允许进程拥有比物理内存更大的地址空间。2.当进程访问超出物理内存的部分时，MMU将其换出到磁盘上，并在需要时换入。3.虚拟内存提高了内存利用率，允许运行更多进程，但会增加内存访问延迟。主题名称：缓存机制1.MMU通常包含缓存，用于存储最近翻译过的虚拟地址和物理地址映射。2.缓存提高了内存访问的速度，通过重用先前的翻译结果。分页和分段技术硬件支持的堆管理硬件支持的堆管理 分页和分段技术分页技术1.将物理内存划分为大小相等的固定块（称为页面），每个页面的大小通常为 4KB 或 8KB。2.页表用于维护虚拟地址和物理地址之间的映射关系，每个页面对应页表中的一个
6、表项。3.访问虚拟地址时，通过页表将虚拟地址翻译成物理地址，从而实现对物理内存的寻址。分段技术1.将逻辑地址空间划分为大小可变的逻辑段（称为段），每个段对应程序或数据的一个部分。2.段表用于存储段的起始地址、大小和访问权限等信息。3.访问逻辑地址时，通过段表将逻辑地址转换为线性地址（偏移量），再通过分页技术将线性地址转换为物理地址。虚拟地址翻译机制硬件支持的堆管理硬件支持的堆管理 虚拟地址翻译机制MMU（内存管理单元）1.负责在虚拟地址空间和物理地址空间之间进行转换。2.支持分页和分段等内存管理机制。3.提供内存保护机制，防止未经授权的内存访问。分页1.将虚拟地址空间划分为固定大小的页。2.在
7、MMU中建立页表，将虚拟页号映射到物理页框。3.当访问虚拟内存时，MMU查找页表并翻译物理地址。虚拟地址翻译机制分段1.将虚拟地址空间划分为可变大小的段。2.在MMU中建立段描述符表，描述每个段的属性和物理地址。3.当访问虚拟内存时，MMU查找段描述符表并获取物理地址。TLB（翻译后备缓冲区）1.存储最近翻译的虚拟地址和物理地址对。2.减少MMU查找页表或段描述符表的次数。3.提高虚拟地址翻译速度。虚拟地址翻译机制1.确保多个处理器或核对同一内存位置具有相同的看法。2.使用 MESI（修改、独占、共享、无效）协议或其它协议来维护缓存一致性。3.防止数据损坏和不一致读写。虚拟化支持1.允许在一个
8、物理机上运行多个虚拟机。2.MMU扩展支持多个虚拟地址空间和隔离。3.提高资源利用率和服务器整合度。缓存一致性 硬件堆栈保护机制硬件支持的堆管理硬件支持的堆管理 硬件堆栈保护机制硬件栈保护机制1.栈溢出检测：硬件通过在栈顶放置一个哨兵值（canary），在函数返回时验证哨兵值是否被修改，从而检测栈溢出。如果哨兵值被修改，说明栈发生了溢出，系统将触发异常。2.栈指针随机化：硬件在进程启动时将栈指针随机化，以防止攻击者预测栈指针位置并发起攻击。这使得利用栈溢出攻击变得更加困难。3.栈不可执行：硬件通过设置内存保护位，将栈标记为不可执行。这意味着攻击者无法在栈上执行恶意代码，从而进一步增强了栈的安全
9、性。无缓冲区溢出函数1.输入验证：这些函数对输入数据进行严格检查，确保不会写入超出缓冲区边界的数据。这可以有效防止缓冲区溢出攻击。2.边界检查：函数在操作缓冲区时进行边界检查，确保不会访问缓冲区外的内存。这进一步加强了缓冲区的安全性。3.安全字符串函数：这些函数采用了安全的字符串处理技术，例如 strcpy_s 和 strcat_s，这些函数会检查输入字符串的长度，以防止写入超出缓冲区边界的数据。硬件堆栈保护机制1.间接调用保护：硬件通过在间接调用指令（如 call 和 jmp）中嵌入签名，并在执行前验证签名，以防止攻击者跳转到恶意代码。2.返回地址验证：硬件在函数返回时检查返回地址的有效性，
10、以防止攻击者修改返回地址并执行恶意代码。3.分支目标完整性：硬件通过加密分支目标地址，并在执行前验证加密后的值，以防止攻击者修改分支目标并执行恶意代码。基于硬件的内存保护1.地址空间布局随机化（ASLR）：硬件在进程启动时将代码、数据和堆的地址空间随机化，以使攻击者更难预测这些区域的地址。2.堆页保护：硬件将堆内存划分为页面，并设置不同的内存保护位，以限制对堆页面的访问。这可以防止攻击者修改堆数据或执行恶意代码。3.内存隔离：硬件通过引入隔离区域，例如影子栈和影子堆，将敏感数据与不敏感数据隔离开来。这使得攻击者更难访问敏感数据。控制流完整性保护 段失效保护硬件支持的堆管理硬件支持的堆管理 段失
11、效保护1.基本原理：-通过限制程序访问其代码和数据段之外的内存区域，来防止段越界错误。-每个段都有一个基址和一个界限，程序只能访问在这个范围内的内存。2.硬件实现：-段失效保护在硬件级别实现，通过内存管理单元（MMU）来检查内存访问请求。-MMU会将虚拟地址转换为物理地址，并检查该地址是否在允许的段范围内。3.好处：-提高系统安全性，防止恶意代码访问敏感数据。-提高内存管理效率，减少由于内存访问冲突而导致的错误。段寄存器1.作用：-存储段的基址和界限等信息。-为程序提供对特定段的访问权限。2.类型：-代码段寄存器：存储代码段的信息。-数据段寄存器：存储数据段的信息。-栈段寄存器：存储栈段的信息
12、。3.实现：-段寄存器通常是 CPU 的一部分，由操作系统加载和管理。-程序可以通过特定指令访问和修改段寄存器的值。段失效保护 段失效保护段表1.作用：-存储所有段的详细信息，包括基址、界限和其他属性。-为 MMU 提供段验证的信息。2.结构：-段表是一个数据结构，包含多个段表项（DTE）。-每个 DTE 对应一个段，并存储该段的详细信息。3.实现：-段表通常存储在物理内存中，由操作系统维护。-MMU 在检查内存访问请求时会引用段表，以获取段的详细信息。段越界错误1.定义：-当程序试图访问超出其允许段范围的内存区域时，就会发生段越界错误。2.原因：-程序员编写错误。-恶意代码故意访问敏感数据。3.后果：-导致系统崩溃。-泄露敏感数据。-允许恶意代码执行任意代码。段失效保护段保护扩展1.扩展功能：-在段失效保护的基础上，提供了额外的保护措施。-允许定义细粒度的内存访问权限，例如可读、可写和可执行。2.实现：-通常通过硬件或软件扩展实现。-引入了新的指令和控制寄存器，以管理额外的权限设置。3.好处：-进一步提高系统安全性，减轻恶意软件的影响。数智创新数智创新 变革未来变革未来感谢聆听Thank you
