華為面試題：怎樣判斷棧的增長方向

時間：2024-08-07 18:32:14 華為認證我要投稿

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華為面試題：怎樣判斷棧的增長方向

　　在華為面試中有這么一道考試，請給出棧增長方向的判斷方法。下面一起來看看這道題的參考答案，僅供大家參考!

華為面試題：怎樣判斷棧的增長方向

　　該題目屬于考查計算機組成原理中棧結(jié)構(gòu)知識的題目。其參考答案如下：

　　可以編寫一個帶有過程(函數(shù))調(diào)用的C程序，然后按照以下方法進行判斷(采用類似思想，還可以寫出許多答案)。

　　方法一：通過比較被調(diào)用過程中的入口參數(shù)所在地址和局部變量所在地址之間的大小來判斷。若入口參數(shù)所在地址大于局部變量所在地址，則棧是向低地址增長的。

　　方法二：直接閱讀匯編指令來判斷。例如，在IA-32中，如果在一個過程的開始階段(準備段)出現(xiàn)類似“sub $0x10,%esp”指令，說明棧頂指針(%esp)是變小的，因此棧是向低地址增長的。

　　方法三：顯示棧頂指針寄存器的內(nèi)容。在某個過程的開始階段和結(jié)束階段分別顯示棧頂指針寄存器的內(nèi)容，比較它們的大小。若開始處的值比結(jié)束處的大，則說明棧是向低地址增長的。

　　后面兩種方法，需要對程序的機器級代碼(匯編指令)進行調(diào)試，例如，利用Linux系統(tǒng)中的程序調(diào)試工具軟件GDB進行調(diào)試。

　　該題是開放題目，答案應(yīng)該沒有唯一性。通過這個題目的回答可以考查出學生對計算機系統(tǒng)中棧結(jié)構(gòu)的掌握情況。

　　棧是存儲空間中的一個區(qū)域，分用戶棧和內(nèi)核棧兩種類型。用戶棧主要用來存放用戶進程每次過程(函數(shù))調(diào)用時，在被調(diào)用過程中使用的局部信息，每次過程調(diào)用都在棧中生長出一個新的棧幀，因此，棧幀是通過執(zhí)行相應(yīng)的指令動態(tài)生長出來的;內(nèi)核棧是操作系統(tǒng)內(nèi)核中的動態(tài)存儲區(qū)域，用于保存操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件所需要的動態(tài)信息。

　　在采用虛擬存儲管理機制的系統(tǒng)中，內(nèi)核棧和用戶棧都是虛擬地址空間中的一個存儲區(qū)。每個源程序經(jīng)編譯、匯編、鏈接等處理生成可執(zhí)行的二進制機器目標代碼時，每個程序的目標代碼都被映射到同樣的虛擬地址空間，所有用戶進程的虛擬地址空間是一致的。例如，圖1給出了在IA32/Linux操作系統(tǒng)下hello程序的一個進程對應(yīng)的虛擬地址空間映像。它分為兩大部分：內(nèi)核區(qū)(kernelarea)和用戶區(qū)(userarea)。

　　從圖1可以看出，內(nèi)核區(qū)在0xC0000000以上的高端地址上，用來存放操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)以及與每個進程相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如進程標識信息、進程現(xiàn)場信息、頁表等進程控制信息以及內(nèi)核棧等)，其中內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)區(qū)在每個進程的地址空間中都相同。用戶程序沒有權(quán)限訪問內(nèi)核區(qū)。

　　用戶區(qū)用來存放用戶進程的代碼和數(shù)據(jù)，它被分為以下幾個區(qū)域。

　　(1) 用戶棧。用來存放程序運行時過程調(diào)用的參數(shù)、返回值、返回地址、過程局部變量等，隨著程序的執(zhí)行，該區(qū)會不斷動態(tài)地從高地址向低地址增長或向反方向減退。

　　(2) 共享庫。用來存放公共的共享函數(shù)庫代碼，如hello中的printf( )函數(shù)等。

　　(3) 堆。用于動態(tài)申請存儲區(qū)，例如，C語言中用malloc()函數(shù)分配的存儲區(qū)，或C++中用new操作符分配的存儲區(qū)。申請一塊內(nèi)存時，動態(tài)地從低地址向高地址增長，用free( )函數(shù)或delete操作符釋放一塊內(nèi)存時，動態(tài)地從高地址向低地址減退。

　　(4) 可讀寫數(shù)據(jù)區(qū)。存放用戶進程中的靜態(tài)全局變量，堆區(qū)從該區(qū)域的結(jié)尾處開始向高地址增長。

　　(5) 只讀數(shù)據(jù)和代碼區(qū)。存放用戶進程中的代碼和只讀數(shù)據(jù)，如hello進程中的程序代碼和字符串“hello,world\n”。

　　每個區(qū)域都有相應(yīng)的起始位置，堆區(qū)和棧區(qū)相向生長，棧區(qū)從內(nèi)核起始位置0xC0000000開始向低地址增長，堆棧中的共享庫代碼區(qū)從0x40000000開始向高地址增長。代碼和只讀數(shù)據(jù)區(qū)從0x08048000開始向高地址增長。

　　對于棧的訪問操作，有些指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了專門的入棧和出棧指令，例如Intel架構(gòu)中的push指令和pop指令分別用于入棧和出棧操作;有些架構(gòu)則不提供專門的入棧和出棧指令，而是通過訪存指令和加/減指令來實現(xiàn)入棧和出棧操作，例如，MIPS架構(gòu)中用sw指令和add或sub指令實現(xiàn)入棧操作，用lw指令和add或sub指令實現(xiàn)出棧操作。

　　對于像Intel這樣提供專門入棧和出棧指令的情況，棧的增長方向可以根據(jù)入棧、出棧指令的功能來確定，例如，IA-31架構(gòu)中的push指令自動將棧頂指針減4，而pop指令則自動將棧頂指針加4。因而，棧總是從高地址向低地址增長。

　　對于像MIPS架構(gòu)這種沒有專門入棧和出棧指令的情況，棧的增長方向就不一定，可能是高地址向低地址增長，或是相反。

　　因為棧是通過執(zhí)行指令動態(tài)增長的，所以，最直接的判斷辦法就是在機器級代碼層面(通常是匯編指令)來閱讀或調(diào)試程序。

　　當一個過程P調(diào)用一個被調(diào)用過程Q，則P中傳遞給Q的參數(shù)會先入棧，然后執(zhí)行調(diào)用指令(如IA-32中的call指令)，跳轉(zhuǎn)到Q執(zhí)行，在被調(diào)用過程Q中，再將Q的局部變量入棧，因此，通過比較Q過程的入口參數(shù)所在地址和局部變量所在地址之間的大小，可以判斷出棧的增長方向。

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