C语言函数调用栈.doc

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%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(ATT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(calle