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栈中函数调用原理详解

2024-08-03 22:42:53   220人阅读

函数调用是程序设计中的重要环节，本文就函数调用的过程进行分析。

一、eip、ebp、esp介绍

 EIP，EBP，ESP都是系统的寄存器，里面存储的是些地址，我们系统中栈的实现上离不开他们三个。 我知道栈的数据结构主要特点是 后进先处。它还有两个作用： 1.栈是用来存储临时变量，函数传递的中间结果。 2.操作系统维护的，对于程序员是透明的。

下面我们就通过一个小例子说说栈的原理。

先写个小程序：

<script src="https://code.csdn.net/snippets/529602.js" type="text/javascript"></script>

当程序进行函数调用的时候，我们经常说的是先将函数压栈，当函数调用结束后，再出栈。这一切的工作都是系统帮我们自动完成的。但在完成的过程中，系统会用到下面三种寄存器：EIP、ESP、EBP。

当调用fun函数开始时，三者的作用。

  1. EIP寄存器里存储的是CPU下次要执行的指令的地址。 也就是调用完fun函数后，让CPU知道应该执行main函数中的printf（"函数调用结束"）语句了。
  2. EBP寄存器里存储的是是栈的栈底指针，通常叫栈基址，这个是一开始进行fun()函数调用之前，由ESP传递给EBP的。（在函数调用前你可以这么理解：ESP存储的是栈顶地址，也是栈底地址。）
  3. ESP寄存器里存储的是在调用函数fun()之后，栈的栈顶。并且始终指向栈顶。
当调用fun函数结束后，三者的作用：

  1. 系统根据EIP寄存器里存储的地址，CPU就能够知道函数调用完，下一步应该做什么，也就是应该执行main函数中的printf（“函数调用结束”）。
  2. EBP寄存器存储的是栈底地址，而这个地址是由ESP在函数调用前传递给EBP的。等到调用结束，EBP会把其地址再次传回给ESP。所以ESP又一次指向了函数调用结束后，栈顶的地址。

二、堆和栈

首先要清楚的是程序对内存的使用分为以下几个区：

  1. 栈区（stack）：由编译器自动分配和释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。操作方式类似于数据结构中的栈。
  2. 堆区（heap）：一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。与数据结构中的堆是两码事，分配方式类似于链表。
  3. 全局区（static）：全局变量和静态变量存放在此。
  4. 文字常量区：常量字符串放在此，程序结束后由系统释放。
  5. 程序代码区：存放函数体的二进制代码。

典型的内存区域分配如图所示：


其次是堆和栈的申请方式：栈由系统自动分配，速度较快，在windows下栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存区域，大小是2MB。堆需要程序员自己申请，并指明大小，速度比较慢。在C中用malloc，C++中用new。另外，堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域，堆的大小受限于计算机的虚拟内存。因此堆空间获取和使用比较灵活，可用空间较大。 

三、栈帧结构和函数调用过程

首先应该明白，栈是从高地址向低地址延伸的。每个函数的每次调用，都有它自己独立的一个栈帧，这个栈帧中维持着所需要的各种信息。寄存器ebp指向当前的栈帧的底部（高地址），寄存器esp指向当前的栈帧的顶部（地址地）。下图为典型的存取器安排，观察栈在其中的位置


入栈操作:push eax; 等价于 esp=esp-4,eax->[esp];如下图


出栈操作：pop eax; 等价于 [esp]->eax,esp=esp+4;如下图


我们来看下面这个C程序在执行过程中，栈的变化情况

<script src="https://code.csdn.net/snippets/529620.js" type="text/javascript"></script>

在main调用func函数前，栈的情况，也就是说main的栈帧：


从低地址esp到高地址ebp的这块区域，就是当前main函数的栈帧。当main中调用func时，写成汇编大致是：

push m

push n; 两个参数压入栈

call func; 调用func，将返回地址填入栈，并跳转到func


当跳转到了func，来看看func的汇编大致的样子：

__func:

push ebp; 这个很重要，因为现在到了一个新的函数，也就是说要有自己的栈帧了，那么，必须把上面的函数main的栈帧底部保存起来，栈顶是不用保存的，因为上一个栈帧的顶部讲会是func的栈帧底部。（两栈帧相邻的）

       mov ebp, esp; 上一栈帧的顶部，就是这个栈帧的底部；暂时先看现在的栈的情况


到这里，新的栈帧开始了

sub esp, 8;  int a, b 这里声明了两个int，所以esp减小8个字节来为a,b分配空间

mov dword ptr [esp+4],[ebp+12];   a=m

mov dword ptr [esp], [ebp+8];b=n         

这样，栈的情况变为：


ret 8 ;  返回，然后8是什么意思呢，就是参数占用的字节数，当返回后，esp-8，释放参数m,n的空间。由此可见，通过ebp，能够很容易定位到上面的参数。当从func函数返回时，首先esp移动到栈帧底部（即释放局部变量），然后把上一个函数的栈帧底部指针弹出到ebp,再弹出返回地址到cs:ip上，esp继续移动划过参数，这样，ebp,esp就回到了调用函数前的状态，即现在恢复了原来的main的栈帧。

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