c函数调用过程原理及函数栈帧分析

        今天突然想分析一下函数在相互调用过程中栈帧的变化，还是想尽量以比较清晰的思路把这一过程描述出来，关于c函数调用原理的理解是很重要的。

1.关于栈

        首先必须明确一点也是非常重要的一点，栈是向下生长的，所谓向下生长是指从内存高地址->低地址的路径延伸，那么就很明显了，栈有栈底和栈顶，那么栈顶的地址要比栈底低。对x86体系的CPU而言，其中

---> 寄存器ebp（base pointer ）可称为“帧指针”或“基址指针”，其实语意是相同的。

---> 寄存器esp（stack pointer）可称为“ 栈指针”。

       要知道的是：

---> ebp 在未受改变之前始终指向栈帧的开始，也就是栈底，所以ebp的用途是在堆栈中寻址用的。

---> esp是会随着数据的入栈和出栈移动的，也就是说，esp始终指向栈顶。

       见下图，假设函数A调用函数B，我们称A函数为"调用者",B函数为“被调用者”则函数调用过程可以这么描述：

（1）先将调用者（A）的堆栈的基址（ebp）入栈，以保存之前任务的信息。

（2）然后将调用者（A）的栈顶指针（esp）的值赋给ebp，作为新的基址（即被调用者B的栈底）。

（3）然后在这个基址（被调用者B的栈底）上开辟（一般用sub指令）相应的空间用作被调用者B的栈空间。

（4）函数B返回后，从当前栈帧的ebp即恢复为调用者A的栈顶（esp），使栈顶恢复函数B被调用前的位置；然后调用者A再从恢复后的栈顶可弹出之前的ebp值（可以这么做是因为这个值在函数调用前一步被压入堆栈）。这样，ebp和esp就都恢复了调用函数B前的位置，也就是栈恢复函数B调用前的状态。

这个过程在AT&T汇编中通过两条指令完成，即：

       leave

       ret

      这两条指令更直白点就相当于：

      mov   %ebp , %esp

      pop    %ebp

2.举个简单的实例，从汇编的视角看函数调用

2.1建立一个简单的程序，程序文件名为  main.c

    开发测试环境：

    Ubuntu 12.04

    gcc版本：4.6.3 (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5)  （是Ubuntu自带的）

/*main.c代码：*/

void swap(int *a,int *b)
{
   int c;
   c = *a; 
   *a = *b;
   *b = c;
}

int main(void)
{
   int a ;
   int b ;
   int ret;
   a =16;
   b = 64;
   ret = 0;
   swap(&a,&b);
   ret = a - b;
   return ret;
}

2.2编译

 

#gcc    -g   -o   main   main.c

#objdump   -d  main   >   main.dump

#gcc   -Wall   -S  -o   main.s   main.c

        这样大家可以看main.s也可以看main.dump，这里我们选择使用main.dump。

        截取关键的部分，即_start,   swap  ,  main，为什么会有_start呢，因为ELF格式的入口其实是_start而不是main()。下面的图展示了main()函数调用swap()前后的栈空间的结构。右边的数字代表相对帧指针的偏移字节数。后面我们使用GDB调试就会发现栈的变化跟下图是一致的。

（！！！请注意，由于栈对齐的缘故，编译器分配栈空间时可能会有没用到的内存地址，而这些没使用到的内存地址就没在下图表示出来，所以下图只能当作示意图来了解函数栈帧结构！！具体的栈内存内容以下文的GDB调试的信息为准！！！）

      下面是main.dump中_start的代码注释，比较重要的是对esp的栈对齐操作，esp是16字节对齐的，注意左边行号的右边的0x8048300一类的数字是指令地址。

      下面是main.dump中swap()函数和main()函数的汇编代码，代码旁有详细的注释。

    下面我们使用GDB调试main.c的代码，使用刚才编译好的main镜像。

# gdb    start      （启动gdb）

# (gdb) file     main      （加载镜像文件）

# (gdb) break  main     （把main()设置为断点，注意gdb并没有把断点设置在main的第一条指令，而是设置在了调整栈指针为局部变量保留空间之后）

# (gdb) run                     （运行程序）

# (gdb) stepi                  （单步执行，不熟悉gdb的童鞋要注意了，stepi命令执行之后显示出来的源代码行或者指令地址，都是即将执行的指令，而不是刚刚执行完的指令！）