函数调用时栈是如何变化的?
系统 Linux
大家都知道函数调用是通过栈来实现的,而且知道在栈中存放着该函数的局部变量。但是对于栈的实现细节可能不一定清楚。本文将介绍一下在Linux平台下函数栈是如何实现的。

 

大家都知道函数调用是通过栈来实现的,而且知道在栈中存放着该函数的局部变量。但是对于栈的实现细节可能不一定清楚。本文将介绍一下在Linux平台下函数栈是如何实现的。

栈帧的结构

函数在调用的时候都是在栈空间上开辟一段空间以供函数使用,所以,我们先来了解一下通用栈帧的结构。

如图所示,栈是由高地址向地地址的方向生长的,而且栈有其栈顶和栈底,入栈出栈的地方就叫做栈顶。

在x86系统的CPU中,rsp是栈指针寄存器,这个寄存器中存储着栈顶的地址。rbp中存储着栈底的地址。函数栈空间主要是由这两个寄存器来确定的。

当程序运行时,栈指针rsp可以移动,栈指针和帧指针rbp一次只能存储一个地址,所以,任何时候,这一对指针指向的是同一个函数的栈帧结构。

而帧指针rbp是不移动的,访问栈中的元素可以用-4(%rbp)或者8(%rbp)访问%rbp指针下面或者上面的元素。

在明白了这些之后,下面我们来看一个具体的例子: 

  1. #include <stdio.h>  
  2. int sum (int a,int b)  
  3.  
  4.  int c = a + b;  
  5.  return c;  
  6.  
  7. int main()  
  8.  
  9.  int x = 5,y = 10,z = 0 
  10.  z = sum(x,y);  
  11.  printf("%d\r\n",z);  
  12.  return 0;  

反汇编如下,下面我们就对照汇编代码一步一步分析下函数调用过程中栈的变化。 

  1. 0000000000000000 <sum> 
  2.    0: 55                    push   %rbp   
  3.    1: 48 89 e5              mov    %rsp,%rbp  
  4.    4: 89 7d ec              mov    %edi,-0x14(%rbp) # 参数传递  
  5.    7: 89 75 e8              mov    %esi,-0x18(%rbp) # 参数传递  
  6.    a: 8b 55 ec              mov    -0x14(%rbp),%edx  
  7.    d: 8b 45 e8              mov    -0x18(%rbp),%eax  
  8.   10: 01 d0                 add    %edx,%eax   
  9.   12: 89 45 fc              mov    %eax,-0x4(%rbp) # 局部变量  
  10.   15: 8b 45 fc              mov    -0x4(%rbp),%eax # 存储结果  
  11.   18: 5d                    pop    %rbp  
  12.   19: c3                    retq     
  13. 000000000000001a <main> 
  14.   1a: 55                    push   %rbp # 保存%rbp。rbp,栈底的地址  
  15.   1b: 48 89 e5              mov    %rsp,%rbp # 设置新的栈指针。rsp 栈指针,指向栈顶的地址  
  16.   1e: 48 83 ec 10           sub    $0x10,%rsp # 分配 16字节栈空间。%rsp = %rsp-16  
  17.   22: c7 45 f4 05 00 00 00  movl   $0x5,-0xc(%rbp) # 赋值  
  18.   29: c7 45 f8 0a 00 00 00  movl   $0xa,-0x8(%rbp) # 赋值  
  19.   30: c7 45 fc 00 00 00 00  movl   $0x0,-0x4(%rbp) # 赋值  
  20.   37: 8b 55 f8              mov    -0x8(%rbp),%edx    
  21.   3a: 8b 45 f4              mov    -0xc(%rbp),%eax   
  22.   3d: 89 d6                 mov    %edx,%esi # 参数传递 ,从右向左  
  23.   3f: 89 c7                 mov    %eax,%edi # 参数传递  
  24.   41: e8 00 00 00 00        callq  46 <main+0x2c> # 调用sum 
  25.   46: 89 45 fc              mov    %eax,-0x4(%rbp)   
  26.   49: 8b 45 fc              mov    -0x4(%rbp),%eax # 存储计算结果  
  27.   4c: 89 c6                 mov    %eax,%esi  
  28.   4e: 48 8d 3d 00 00 00 00  lea    0x0(%rip),%rdi        # 55 <main+0x3b>  
  29.   55: b8 00 00 00 00        mov    $0x0,%eax  
  30.   5a: e8 00 00 00 00        callq  5f <main+0x45>  
  31.   5f: b8 00 00 00 00        mov    $0x0,%eax   
  32.   64: c9                    leaveq   
  33.   65: c3                    retq    

函数调用前

在函数被调用之前,调用者会为调用函数做准备。首先,函数栈上开辟了16字节的空间,存储定义的3个int型变量,建立了main函数的栈。

接着,会给三个变量进行赋值。

以下4行代码是进行参数传递。我们可以看到是函数参数是倒序传入的:先传入第N个参数,再传入第N-1个参数(CDECL约定)。 

  1. mov    -0x8(%rbp),%edx    
  2. mov    -0xc(%rbp),%eax   
  3. mov    %edx,%esi # 参数传递 ,从右向左  
  4. mov    %eax,%edi # 参数传递 

最后,会执行到call指令处,调用sum函数。 

  1. callq  46 <main+0x2c> # 调用sum 

CALL指令内部其实还暗含了一个将返回地址(即CALL指令下一条指令的地址)压栈的动作(由硬件完成)。

具体来说,call指令执行时,先把下一条指令的地址入栈,再跳转到对应函数执行的起始处。

函数调用时

进入sum函数后,我们看到函数的前两行: 

  1. push   %rbp   
  2. mov    %rsp,%rbp 

这两条汇编指令的含义是:首先将rbp寄存器入栈,然后将栈顶指针rsp赋值给rbp。

“mov rbp rsp”这条指令表面上看是用rsp覆盖rbp原来的值,其实不然。

因为给rbp赋值之前,原rbp值已经被压栈(位于栈顶),而新的rbp又恰恰指向栈顶。此时rbp寄存器就已经处于一个非常重要的地位。

该寄存器中存储着栈中的一个地址(原rbp入栈后的栈顶),从该地址为基准,向上(栈底方向)能获取返回地址、参数值,向下(栈顶方向)能获取函数局部变量值,而该地址处又存储着上一层函数调用时的rbp值。

一般而言,%rbp+4处为返回地址,%rbp+8处为第一个参数值(最后一个入栈的参数值,此处假设其占用4字节内存),%rbp-4处为第一个局部变量,%rbp处为上一层rbp值。

由于rbp中的地址处总是“上一层函数调用时的rbp值”,而在每一层函数调用中,都能通过当时的%rbp值“向上(栈底方向)”能获取返回地址、参数值,“向下(栈顶方向)”能获取函数局部变量值。

紧接着执行的四条指令。 

  1. mov    %edi,-0x14(%rbp) # 参数传递  
  2. mov    %esi,-0x18(%rbp) # 参数传递  
  3. mov    -0x14(%rbp),%edx  
  4. mov    -0x18(%rbp),%eax  
  5. add    %edx,%eax  
  6. mov    %eax,-0x4(%rbp) 

上述指令通过rbp加偏移量的方式将main传递给sum的两个参数保存在当前栈帧的合适位置,然后又取出来放入寄存器,看着有点儿多此一举,这是因为在编译时未给gcc指定优化级别,而gcc编译程序时,默认不做任何优化,所以看起来比较啰嗦。

需要说明的是,sum的两个参数和返回值都是int,在内存中只占4个字节,而图中每个栈内存单元按8字节地址边界进行了对齐,所以才是下图中这个样子。

再来看紧接着的三条指令。 

  1. add    %edx,%eax   
  2. mov    %eax,-0x4(%rbp) # 局部变量  
  3. mov    -0x4(%rbp),%eax # 存储结果 

上述第一条指令负责执行加法运算并将并将结果存入eax中,第二条指令将eax中的值存入局部变量c所在的内存,第三条指令将局部变量c的值读取到eax中,可以看到,局部变量c被编译器安排到了%rbp -0x4这个地址对应的内存中。

接下来继续执行 

  1. pop %rbp  
  2. retq 

这两条指令的功能相当于下面的指令: 

  1. mov %rbp,%rsp  
  2. pop %rbp  
  3. pop %rip 

即在操作上面两条指令的时候,首先把rsp赋值,它的值是存储调用函数rbp的值的地址,所以可以通过出栈操作,来给rbp赋值,来找回调用函数的rbp。

通过栈的结构,可以知道,rbp上面就是调用函数调用被调用函数的下一条指令的执行地址,所以需要赋值给rip,来找回调用函数里的指令执行地址。

整个函数跳转回main的时候,他的rsp,rbp都会变回原来的main函数的栈指针,C语言程序就是用这种方式来确保函数的调用之后,还能继续执行原来的程序。

函数调用后

函数最后返回的时候,继续执行下面这条指令: 

  1. mov    %eax,-0x4(%rbp)  # 把sum函数的返回值赋给变量z 

上述指令将eax中的结果放入rbp  -0x4所指的内存中,这里也是main的局部变量z所在位置。

再往后的指令如下: 

  1. mov    %eax,-0x4(%rbp)   
  2. mov    -0x4(%rbp),%eax # 计算结果  
  3. mov    %eax,%esi  
  4. mov    %eax,%esi  
  5. lea    0x0(%rip),%rdi  
  6. mov    $0x0,%eax  
  7. callq  5f <main+0x45> 

上述指令首先为printf准备参数,然后调用printf,具体过程和调用sum的过程相似,让CPU直接执行到main倒数第二条leave指令处。 

  1. mov    $0x0,%eax  

指令作用是将main返回值0放到寄存器eax,等main返回后调用main可拿到这个值。

执行leave指令相当于执行如下两条指令: 

  1. mov %rbp, %rsp  
  2. pop %rbp 

leave指令首先将rbp的值复制给rsp,rsp就指向rbp所指的栈单元。之后leave指令将该栈单元的值pop给rbp,如此,rsp和rbp就恢复成刚进入main时的状态。 

 

责任编辑:庞桂玉 来源: C语言与C++编程

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