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C语言函数调用栈的详细教程(二)
2018-06-28 19:43:46 】 浏览:570
Tags:语言 函数 调用 详细 教程
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:

//StackFrame.c
#include 
  
   
#include 
   
     struct Strt{ int member1; int member2; int member3; }; #define PRINT_ADDR(x) printf("&"#x" = %p\n", &x) int StackFrameContent(int para1, int para2, int para3){ int locVar1 = 1; int locVar2 = 2; int locVar3 = 3; int arr[] = {0x11,0x22,0x33}; struct Strt tStrt = {0}; 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! PRINT_ADDR(para2); PRINT_ADDR(para3); PRINT_ADDR(locVar1); PRINT_ADDR(locVar2); PRINT_ADDR(locVar3); PRINT_ADDR(arr); PRINT_ADDR(arr[0]); PRINT_ADDR(arr[1]); PRINT_ADDR(arr[2]); PRINT_ADDR(tStrt); PRINT_ADDR(tStrt.member1); PRINT_ADDR(tStrt.member2); PRINT_ADDR(tStrt.member3); return 0; } int main(void){ int locMain1 = 1, locMain2 = 2, locMain3 = 3; PRINT_ADDR(locMain1); PRINT_ADDR(locMain2); PRINT_ADDR(locMain3); StackFrameContent(locMain1, locMain2, locMain3); printf("[locMain1,2,3] = [%d, %d, %d]\n", locMain1, locMain2, locMain3); memset(&locMain2, 0, 2*sizeof(int)); printf("[locMain1,2,3] = [%d, %d, %d]\n", locMain1, locMain2, locMain3); return 0; } StackFrame
   
  

编译链接并执行后,输出打印如下:

\

图4StackFrame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。

\

图5StackFrame栈帧

内存地址从栈底到栈顶递减,压栈就是把ESP指针逐渐往地低址移动的过程。而结构体tStrt中的成员变量memberX地址=tStrt首地址+(memberX偏移量),即越靠近tStrt首地址的成员变量其内存地址越小。因此,结构体成员变量的入栈顺序与其在结构体中声明的顺序相反。

函数调用以值传递时,传入的实参(locMain1~3)与被调函数内操作的形参(para1~3)两者存储地址不同,因此被调函数无法直接修改主调函数实参值(对形参的操作相当于修改实参的副本)。为达到修改目的,需要向被调函数传递实参变量的指针(即变量的地址)。

此外,"[locMain1,2,3] = [0, 0, 3]"是因为对四字节参数locMain2调用memset函数时,会从低地址向高地址连续清零8个字节,从而误将位于高地址locMain1清零。

注意,局部变量的布局依赖于编译器实现等因素。因此,当StackFrameContent函数中删除打印语句时,变量locVar3、locVar2和locVar1可能按照从高到低的顺序依次存储!而且,局部变量并不总在栈中,有时出于性能(速度)考虑会存放在寄存器中。数组/结构体型的局部变量通常分配在栈内存中。

【扩展阅读】函数局部变量布局方式

与函数调用约定规定参数如何传入不同,局部变量以何种方式布局并未规定。编译器计算函数局部变量所需要的空间总数,并确定这些变量存储在寄存器上还是分配在程序栈上(甚至被优化掉)——某些处理器并没有堆栈。局部变量的空间分配与主调函数和被调函数无关,仅仅从函数源代码上无法确定该函数的局部变量分布情况。

基于不同的编译器版本(gcc3.4中局部变量按照定义顺序依次入栈,gcc4及以上版本则不定)、优化级别、目标处理器架构、栈安全性等,相邻定义的两个变量在内存位置上可能相邻,也可能不相邻,前后关系也不固定。若要确保两个对象在内存上相邻且前后关系固定,可使用结构体或数组定义。

4 堆栈操作

函数调用时的具体步骤如下:

1)主调函数将被调函数所要求的参数,根据相应的函数调用约定,保存在运行时栈中。该操作会改变程序的栈指针。

注:x86平台将参数压入调用栈中。而x86_64平台具有16个通用64位寄存器,故调用函数时前6个参数通常由寄存器传递,其余参数才通过栈传递。

2) 主调函数将控制权移交给被调函数(使用call指令)。函数的返回地址(待执行的下条指令地址)保存在程序栈中(压栈操作隐含在call指令中)。

3) 若

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