进程内内存生命周期疑问：返回栈内存引发段错误原因探究

问题代码 #

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define SIZE 100

char* memory(){
    char ch[SIZE] = {0};
    return ch;
}

void copy(char *string){
   char *new_string = memory(); 
   strncpy(new_string, string, strlen(string));
}

int main(){
    char *string = "This is going to be copied";
    copy(string);
}

运行上述代码触发了内核段错误，以下是我的理解与疑问：

我的理解 #

1. 虚拟内存与页管理：
   由于操作系统以页为单位管理内存，如果进程所用页面的虚拟内存与物理内存映射关系未变，应该可以访问该页内所有内存（内容可能是垃圾数据或被进程内其他线程覆盖）。
2. 页级重分配：
   若操作系统要重新分配内存，会以页为单位进行，而非字节级。
3. 页重映射与段错误：
   除非char数组所在内存位于不同页面且操作系统将该页重映射给其他进程，否则访问此内存不应引发段错误。

我的疑问 #

1. 内核非法内存访问检测：
   内核如何识别这是非法内存访问？若内存页尚未被重分配，为何会标记此情况？
2. 页有效性：
   内核是否会在元数据中将整个页面标记为有效或无效？这是否用于指示页面是否仍被当前进程使用？

环境信息 #

• 操作系统：Ubuntu 24.04.1 LTS
• 内核：Linux 6.8.0-49-generic
• 架构：x86-64
• 编译参数：gcc ptr.c -g -o ptr -O0（优化级别O0）
• gcc版本：gcc (Ubuntu 13.2.0-23ubuntu4) 13.2.0

理解误区与问题解答 #

核心错误根源 #

你遇到的段错误和页重分配无关，本质是返回栈内存指针后对其执行写操作，栈内存的管理逻辑和你对虚拟内存页的理解存在偏差。

你的理解偏差点 #

1. 虚拟内存页的访问权限不只是物理映射：
   栈所在页面确实仍属于进程，物理映射也没被内核回收，但页表权限位+用户态栈保护机制会限制访问。栈帧销毁时，栈指针上移标记该区域可复用，但glibc等运行时会在栈帧末尾设置guard page（保护页），或通过栈金丝雀（canary）检测非法写入，这些机制会直接触发内存访问错误。
2. 页级重分配不是触发段错误的原因：
   根本等不到内核重分配页面，当你用strncpy往已释放的栈内存写数据时，要么直接写到了无权限的保护页，要么破坏了其他栈帧的金丝雀值，触发用户态的错误检查，最终由内核发送段错误信号。

疑问解答 #

1. 内核如何识别非法访问？
   内核通过页表权限位和访问类型判断：

   • 若写入到保护页：保护页被标记为PROT_NONE（无任何权限），触发页错误，内核发送SIGSEGV信号。
   • 若写入到已复用的栈区域：虽然页面权限是可读可写，但破坏了栈金丝雀值后，glibc的stack_chk_fail函数会主动调用abort()，内核处理该信号时表现为段错误。

2. 内核是否标记整个页面有效/无效？
   是的，内核通过页表项的存在位标记页面有效性，但这只是基础条件。栈页面通常是有效的，已释放栈区域的访问限制更多是由用户态的栈管理机制（编译器、glibc）实现的，而非内核直接标记整个页面无效。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Gokulanandan S