C语言函数调用栈(一)
程序的执行过程可看作连续的函数调用。当一个函数执行完毕时，程序要回到调用指令的下一条指令(紧接call指令)处继续执行。函数调用过程通常使用堆栈实现，每个用户态进程对应一个调用栈结构(call stack)。编译器使用堆栈传递函数参数、保存返回地址、临时保存寄存器原有值(即函数调用的上下文)以备恢复以及存储本地局部变量。
不同处理器和编译器的堆栈布局、函数调用方法都可能不同，但堆栈的基本概念是一样的。
1 寄存器分配
寄存器是处理器加工数据或运行程序的重要载体，用于存放程序执行中用到的数据和指令。因此函数调用栈的实现与处理器寄存器组密切相关。
Intel 32位体系结构(简称IA32)处理器包含8个四字节寄存器，如下图所示：
图1 IA32处理器寄存器
最初的8086中寄存器是16位，每个都有特殊用途，寄存器名城反映其不同用途。由于IA32平台采用平面寻址模式，对特殊寄存器的需求大大降低，但由于历史原因，这些寄存器名称被保留下来。在大多数情况下，上图所示的前6个寄存器均可作为通用寄存器使用。某些指令可能以固定的寄存器作为源寄存器或目的寄存器，如一些特殊的算术操作指令imull/mull/cltd/idivl/divl要求一个参数必须在êx中，其运算结果存放在íx(higher 32-bit)和êx (lower32-bit)中；又如函数返回值通常保存在êx中，等等。为避免兼容性问题，ABI规范对这组通用寄存器的具体作用加以定义(如图中所示)。
对于寄存器êx、?x、ìx和íx，各自可作为两个独立的16位寄存器使用，而低16位寄存器还可继续分为两个独立的8位寄存器使用。编译器会根据操作数大小选择合适的寄存器来生成汇编代码。在汇编语言层面，这组通用寄存器以%e(AT&T语法)或直接以e(Intel语法)开头来引用，例如mov $5, êx或mov eax, 5表示将立即数5赋值给寄存器êx。
在x86处理器中，EIP(Instruction Pointer)是指令寄存器，指向处理器下条等待执行的指
令地址(代码段内的偏移量)，每次执行完相应汇编指令EIP值就会增加。ESP(Stack Pointer)是堆栈指针寄存器，存放执行函数对应栈帧的栈顶地址(也是系统栈的顶部)，且始终指向栈顶；EBP(Base Pointer)是栈帧基址指针寄存器，存放执行函数对应栈帧的栈底地址，用于C运行库访问栈中的局部变量和参数。
注意，EIP是个特殊寄存器，不能像访问通用寄存器那样访问它，即找不到可用来寻址EIP并对其进行读写的操作码(OpCode)。EIP可被jmp、call和ret等指令隐含地改变(事实上它一直都在改变)。
不同架构的CPU，寄存器名称被添加不同前缀以指示寄存器的大小。例如x86架构用字母“e(extended)”作名称前缀，指示寄存器大小为32位；x86_64架构用字母“r”作名称前缀，指示各寄存器大小为64位。
编译器在将C程序编译成汇编程序时，应遵循ABI所规定的寄存器功能定义。同样地，编写汇编程序时也应遵循，否则所编写的汇编程序可能无法与C程序协同工作。 【扩展阅读】栈帧指针寄存器
为了访问函数局部变量，必须能定位每个变量。局部变量相对于堆栈指针ESP的位置在进入函数时就已确定，理论上变量可用ESP加偏移量来引用，但ESP会在函数执行期随变量的压栈和出栈而变动。尽管某些情况下编译器能跟踪栈中的变量操作以修正偏移量，但要引入可观的管理开销。而且在有些机器上(如Intel处理器)，用ESP加偏移量来访问一个变量需要多条指令才能实现。
因此，许多编译器使用帧指针寄存器FP(Frame Pointer)记录栈帧基地址。局部变量和函数参数都可通过帧指针引用，因为它们到FP的距离不会受到压栈和出栈操作的影响。有些资料将帧指针称作局部基指针(LB-local base pointer)。
在Intel CPU中，寄存器BP(EBP)用作帧指针。在Motorola CPU中，除A7(堆栈指针SP)外的任何地址寄存器都可用作FP。当堆栈向下(低地址)增长时，以FP地址为基准，函数参数的偏移量是正值，而局部变量的偏移量是负值。 2 寄存器使用约定
程序寄存器组是唯一能被所有函数共享的资源。虽然某一时刻只有一个函数在执行，但需保证当某个函数调用其他函数时，被调函数不会修改或覆盖主调函数稍后会使用到的寄存器值。因此，IA32采用一套统一的寄存器使用约定，所有函数(包括库函数)调用都必须遵守该约定。
根据惯例，寄存器êx、íx和ìx为主调函数保存寄存器(caller-saved registers)，当函数调用时，若主调函数希望保持这些寄存器的值，则必须在调用前显式地将其保存在栈中；被调函数可以覆盖这些寄存器，而不会破坏主调函数所需的数据。寄存器?x、%esi和íi为被调函数保存寄存器(callee-saved registers)，即被调函数在覆盖这些寄存器的值时，必须先将寄存器原值压入栈中保存起来，并在函数返回前从栈中恢复其原值，因为主调函数可能也在使用这些寄存器。此外，被调函数必须保持寄存器?p和%esp，并在函数返回后将其恢复到调用前的值，亦即必须恢复主调函数的栈帧。
当然，这些工作都由编译器在幕后进行。不过在编写汇编程序时应注意遵守上述惯例。 3 栈帧结构
函数调用经常是嵌套的，在同一时刻，堆栈中会有多个函数的信息。每个未完成运行的函数占用一个独立的连续区域，称作栈帧(Stack Frame)。栈帧是堆栈的逻辑片段，当调用函数时逻辑栈帧被压入堆栈, 当函数返回时逻辑栈帧被从堆栈中弹出。栈帧存放着函数参数，局部变量及恢复前一栈帧所需要的数据等。
编译器利用栈帧，使得函数参数和函数中局部变量的分配与释放对程序员透明。编译器将控制权移交函数本身之前，插入特定代码将函数参数压入栈帧中，并分配足够的内存空间
用于存放函数中的局部变量。使用栈帧的一个好处是使得递归变为可能，因为对函数的每次递归调用，都会分配给该函数一个新的栈帧，这样就巧妙地隔离当前调用与上次调用。 栈帧的边界由栈帧基地址指针EBP和堆栈指针ESP界定(指针存放在相应寄存器中)。EBP指向当前栈帧底部(高地址)，在当前栈帧内位置固定；ESP指向当前栈帧顶部(低地址)，当程序执行时ESP会随着数据的入栈和出栈而移动。因此函数中对大部分数据的访问都基于EBP进行。
为更具描述性，以下称EBP为帧基指针， ESP为栈顶指针，并在引用汇编代码时分别记为?p和%esp。
函数调用栈的典型内存布局如下图所示：
图2 函数调用栈的典型内存布局
图中给出主调函数(caller)和被调函数(callee)的栈帧布局，\表示以EBP为基地址、偏移量为m字节的内存空间(中的内容)。该图基于两个假设：第一，函数返回值不是结构体或联合体，否则第一个参数将位于\处；第二，每个参数都是4字节大小(栈的粒度为4字节)。在本文后续章节将就参数的传递和大小问题做进一步的探讨。 此外，函数可以没有参数和局部变量，故图中“Argument(参数)”和“Local Variable(局部变量)”不是函数栈帧结构的必需部分。
从图中可以看出，函数调用时入栈顺序为 实参N~1→主调函数返回地址→主调函数帧基指针EBP→被调函数局部变量1~N 其中，主调函数将参数按照调用约定依次入栈(图中为从右到左)，然后将指令指针EIP入栈以保存主调函数的返回地址(下一条待执行指令的地址)。进入被调函数时，被调函数将主调函数的帧基指针EBP入栈，并将主调函数的栈顶指针ESP值赋给被调函数的EBP(作为被调函数的栈底)，接着改变ESP值来为函数局部变量预留空间。此时被调函数帧基指针指向被调函数的栈底。以该地址为基准，向上(栈底方向)可获取主调函数的返回地址、参数值，
向下(栈顶方向)能获取被调函数的局部变量值，而该地址处又存放着上一层主调函数的帧基指针值。本级调用结束后，将EBP指针值赋给ESP，使ESP再次指向被调函数栈底以释放局部变量；再将已压栈的主调函数帧基指针弹出到EBP，并弹出返回地址到EIP。ESP继续上移越过参数，最终回到函数调用前的状态，即恢复原来主调函数的栈帧。如此递归便形成函数调用栈。
EBP指针在当前函数运行过程中(未调用其他函数时)保持不变。在函数调用前，ESP指针指向栈顶地址，也是栈底地址。在函数完成现场保护之类的初始化工作后，ESP会始终指向当前函数栈帧的栈顶，此时，若当前函数又调用另一个函数，则会将此时的EBP视为旧EBP压栈，而与新调用函数有关的内容会从当前ESP所指向位置开始压栈。
若需在函数中保存被调函数保存寄存器(如ESI、EDI)，则编译器在保存EBP值时进行保存，或延迟保存直到局部变量空间被分配。在栈帧中并未为被调函数保存寄存器的空间指定标准的存储位置。包含寄存器和临时变量的函数调用栈布局可能如下图所示：
图3 函数调用栈的可能内存布局
在多线程(任务)环境，栈顶指针指向的存储器区域就是当前使用的堆栈。切换线程的一个重要工作，就是将栈顶指针设为当前线程的堆栈栈顶地址。 以下代码用于函数栈布局示例：
1 //StackFrame.c 2 #include
int StackFrameContent(int para1, int para2, int para3){13 int locVar1 = 1;14 int locVar2 = 2;15 int locVar3 = 3;16 int arr[] = {0x11,0x22,0x33};17 struct Strt tStrt = {0};18 PRINT_ADDR(para1); //若para1为char或short型，则打印para1所对应的栈上整型临时变量地址！19 PRINT_ADDR(para2);20 PRINT_ADDR(para3);21 PRINT_ADDR(locVar1);22 PRINT_ADDR(locVar2);23 PRINT_ADDR(locVar3);24 PRINT_ADDR(arr);25 PRINT_ADDR(arr[0]);26 PRINT_ADDR(arr[1]);27 PRINT_ADDR(arr[2]);28 PRINT_ADDR(tStrt);29 PRINT_ADDR(tStrt.member1);30 PRINT_ADDR(tStrt.member2);31 PRINT_ADDR(tStrt.member3);32 return 0;33 }34 35 int main(void){36 int locMain1 = 1, locMain2 = 2, locMain3 = 3;37 PRINT_ADDR(locMain1);38 PRINT_ADDR(locMain2);39 PRINT_ADDR(locMain3);40 StackFrameContent(locMain1, locMain2, locMain3);41 printf(\= [%d, %d, %d]/n\locMain1, locMain2, locMain3);42 memset(&locMain2, 0, 2*sizeof(int));43 printf(\= [%d, %d, %d]/n\locMain1, locMain2, locMain3);44 return 0;45 } StackFrame
编译链接并执行后，输出打印如下：
图4 StackFrame输出
函数栈布局示例如下图所示。为直观起见，低于起始高地址0xbfc75a58的其他地址采用点记法，如0x.54表示0xbfc75a54，以此类推。
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