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.