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C语言函数调用栈的详细教程(一)
2018-06-28 19:43:46 】 浏览:203
Tags:语言 函数 调用 详细 教程

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:

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图1IA32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/ipl/pl要求一个参数必须在%eax中,其运算结果存放在%edx(higher 32-bit)和%eax (lower32-bit)中;又如函数返回值通常保存在%eax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%eax、%ebx、%ecx和%edx,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, %eax或mov eax, 5表示将立即数5赋值给寄存器%eax。

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%eax、%edx和%ecx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%ebx、%esi和%edi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%ebp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%ebp和%esp。

函数调用栈的典型内存布局如下图所示:

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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,"m(%ebp)"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"12(%ebp)" 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)”
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