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栈帧(Stack Frame)

最近在读<程序员的自我修养:链接 装载与库>.以下是第十章的学习笔记:

栈帧

那先有个问题,什么是栈?

在数据结构中, 栈是限定仅在表尾进行插入或删除操作的线性表。栈是一种数据结构,它按照后进先出的原则存储数据,先进入的数据被压入栈底,最后的数据在栈顶,需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据。
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在计算机系统中,栈也可以称之为栈内存是一个具有动态内存区域,存储函数内部(包括main函数)的局部变量和方法调用和函数参数值,是由系统自动分配的,一般速度较快;存储地址是连续且存在有限栈容量,会出现溢出现象程序可以将数据压入栈中,也可以将数据从栈顶弹出。压栈操作使得栈增大,而弹出操作使栈减小。
栈用于维护函数调用的上下文,离开了栈函数调用就没法实现。
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而什么是栈帧(Stack Frame)呢? 每一次函数的调用,都会在调用栈(call stack)上维护一个独立的栈帧(stack frame).每个独立的栈帧一般包括:

  • 函数的返回地址和参数
  • 临时变量: 包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
  • 函数调用的上下文 栈是从高地址向低地址延伸,一个函数的栈帧用ebp 和 esp 这两个寄存器来划定范围.ebp 指向当前的栈帧的底部,esp 始终指向栈帧的顶部;
    ebp 寄存器又被称为帧指针(Frame Pointer);
    esp 寄存器又被称为栈指针(Stack Pointer);

在函数调用的过程中,有函数的调用者(caller)和被调用的函数(callee). 调用者需要知道被调用者函数返回值; 被调用者需要知道传入的参数和返回的地址;

函数调用

函数调用分为以下几步:

  • 参数入栈: 将参数按照调用约定(C 是从右向左)依次压入系统栈中;
  • 返回地址入栈: 将当前代码区调用指令的下一条指令地址压入栈中,供函数返回时继续执行;
  • 代码跳转: 处理器将代码区跳转到被调用函数的入口处;
  • 栈帧调整:
    1.将调用者的ebp压栈处理,保存指向栈底的ebp的地址(方便函数返回之后的现场恢复),此时esp指向新的栈顶位置; push ebp
    2.将当前栈帧切换到新栈帧(将eps值装入ebp,更新栈帧底部), 这时ebp指向栈顶,而此时栈顶就是old ebp mov ebp, esp
    3.给新栈帧分配空间 sub esp, XXX

函数返回

函数返回分为以下几步:

  • 保存被调用函数的返回值到 eax 寄存器中 mov eax, xxx
  • 恢复 esp 同时回收局部变量空间 mov ebp, esp
  • 将上一个栈帧底部位置恢复到 ebp pop ebp
  • 弹出当前栈顶元素,从栈中取到返回地址,并跳转到该位置 ret

到这里栈帧以及函数的调用与返回已经结束了,这里涉及一些汇编的知道,这里还没有记录不同平台的调用约定和一些特殊的寄存器.

参考

  1. 程序员的自我修养—链接、装载与库. 第10章
  2. https://www.cnblogs.com/dwlsxj/p/Stack.html
  3. 汇编原理
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