Linux中為什麼要隨機函數棧的起始地址

1. 如前文（http://www.linuxidc.com/Linux/2011-08/41869.htm）所述，為了執行一個程序，首先do_execve建立數據結構，並將一些數據從用戶空間拷貝到內核空間，然後調用search_binary_handler加載可執行文件映像。

1. int do_execve(char * filename,
2. char __user *__user *argv,
3. char __user *__user *envp,
4. struct pt_regs * regs)

2. search_binary_handler()尋找對應的handler。對於elf 文件，即是load_elf_binary。

1. int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm,struct pt_regs *regs)

3. load_elf_binary()讀取可執行文件頭文件信息，進行簡單的一致性檢測，分配用戶模式的頁表，設置棧的起始地址，加載可執行文件映像到內存；然後調用create_elf_tables()； 最後調用start_thread()，執行_start函數開始的代碼。

1. static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm, struct pt_regs *regs)

4. create_elf_tables()將參數指針，環境變量數組指針壓入用戶模式的棧。

1. static int
2. create_elf_tables(struct linux_binprm *bprm, struct elfhdr *exec,
3. unsigned long load_addr, unsigned long interp_load_addr)

值得注意的是，create_elf_tables()很可能會在壓棧前調整棧指針。比如，在支持超線程的體系結構裡面，通過隨機化初始棧指針，可以減少進程間在L1上的競爭。如下所示，隨機化初始棧指針的頁內偏移量，並使得棧指針保持16字節對齊。

1. unsigned long arch_align_stack(unsigned long sp)
2. {
3. if (!(current->personality & ADDR_NO_RANDOMIZE) && randomize_va_space)
4. sp -= get_random_int() % 8192;
5. return sp & ~0xf;
6. }

為什麼針對頁內偏移呢？

在某些體系結構中，首先要完成從邏輯地址到物理地址的轉換，然後才能去cache中查找該物理地址是否已經在cache當中。這樣，cache命中的代價較高。一種常用的技巧是，在L1中，邏輯地址索引-物理地址比較（virtually indexed, physically tagged）[1]。思路是，利用邏輯地址與物理地址的頁內偏移一樣的特點，用頁內偏移進行索引，頁號通過TLB轉換成物理頁號進行tag比較。這樣，可以不經轉換，就先索引，從而加快速度。這樣，如果兩個邏輯地址的塊內偏移一樣，它們索引的cache行也就一樣，所以需要隨機化頁內偏移來減少L1的競爭。其缺點是，L1的set大小，不能超過頁的大小。換言之：

L1的大小 <= 相聯度 * 塊的大小 * 頁的大小

5. start_thread()，執行_start函數開始的代碼

1. void
2. start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)
3. {
4. set_user_gs(regs, 0);
5. regs->fs = 0;
6. set_fs(USER_DS);
7. regs->ds = __USER_DS;
8. regs->es = __USER_DS;
9. regs->ss = __USER_DS;
10. regs->cs = __USER_CS;
11. regs->ip = new_ip;
12. regs->sp = new_sp;
13. /*
14. * Free the old FP and other extended state
15. */
16. free_thread_xstate(current);
17. }

參考：[1] Computer Architecture: A Quantitative Approach, Fourth Edition. Page 291-292.