函数调用过程栈帧变化详解

函数调用另一个词语表示叫作过程。一个过程调用包括将数据（以过程参数和返回值的形式）和控制从代码的一部分传递到另一部分。另外，它还必须在进入时为过程的局部变量分配空间，并在退出时释放这些空间。

 

大多数机器，包括IA32,只提供转移控制到过程和从过程中转移出控制这种简单的指令。数据传递、局部变量的分配和释放通过操纵程序栈来实现。

 

在了解本文章之前，您需要先对程序的进程空间有所了解，即对进程如何使用内存？如果你知道这些，下面的内 容将是很easy的事情了。为了您的回顾还是将简单的分布图贴出来，便于您的回顾。

我们先来了解一个概念，栈帧(stack frame)，机器用栈来传递过程参数，存储返回信息，保存寄存器用于以后恢复，以及本地存储。为单个过程(函数调用)分配的那部分栈称为栈帧。栈帧其实 是两个指针寄存器，寄存器%ebp为帧指针（指向该栈帧的最底部），而寄存器%esp为栈指针（指向该栈帧的最顶部），当程序运行时，栈指针可以移动(大多数的信息的访问都是通过帧指针的，换句话说，就是如果该栈存在，%ebp帧指针是不移动的，访问栈里面的元素可以用-4(%ebp）或者8(%ebp)访问%ebp指针下面或者上面的元素)。总之简单 一句话，栈帧的主要作用是用来控制和保存一个过程的所有信息的。栈帧结构如下所示：

此处注意：这里面有一个错误，即：“保存的寄存器、局部变量和临时值”处应该是ebp-4。

栈是从高地址向低地址存储。所以越是低的地址，越是靠后入栈。

如果你已经对这个图已经非常了解了，那么就没有必要再看下去了。因为下面的内容都是对这幅图的讲解。

　　假设过程P（调用者）调用过程Q（被调用者），则Q的参数放在P的栈帧中。另外，当P调用Q时，P中的返回地址被压入栈中，形成P的栈帧的末尾 （返回地址就是当程序从Q返回时应该继续执行的地方）。Q的栈帧从保存的帧指针的值开始，后面到新的栈指针之间就是该过程的部分了。

　　过程实例讲解：

下面以这个程序为例进行简要说明函数调用的基本过程。

int swap_add(int* xp,int* yp) {
    int x = *xp;
    int y = *yp;
    *xp = y;
    *yp = x;
    return x+y;
}
int caller(){
    int arg1 = 534;
    int arg2 = 1057;
    int sum = swap_add(&arg1,&arg2);
    int diff = arg1 - arg2;
    
    return sum * diff;
} 

 

经过汇编之后caller部分的代码如下：

 

caller:
    pushl %ebp   //保存%ebp 
    movl %esp,%ebp    //设置新的帧指针为旧的栈指针
    subl $24,%esp  //分配24子节的栈空间
    movl $534,-4(%ebp) //设置arg1=534
    movl $1057,-8(%ebp) //设置arg2=1057
    leal -8(%ebp),%eax //计算&arg2
    movl %eax,4(%esp) //将&arg2存入栈中
    leal -4(%ebp),%eax //计算&arg1
    movl %eax,(%esp) //将&arg1存入栈中
    call swap_add //调用swap_add-------------------》过程调用

这段代码先保存了%ebp的一个副本，将新的过程（该函数的ebp）的ebp设置为栈帧的开始位置。然后将栈指针减去24，从而在栈上分配了24字 节的空间（你应该思考一下为什么是24字节），然后是初始化两个局部变量，计算两个局部变量的地址并存入栈中，形成了函数swap_add的参数。将这些 参数存储到相对于栈指针偏移量为0和+4的地方，留待稍后的swap_add调用访问。然后调用swap_add.

接下的代码是swap_add的函数部分：

swap_add:
    pushl %ebp //save old %ebp
    movl %esp,%ebp  //set %ebp as frame pointer
    pushl %ebx     //save %ebx
     
    movl 8(%ebp),%edx   //Get xp
    movl 12(%ebp),%ecx   //Get yp
    movl (%edx),%ebx   //Get x
    movl (%ecx),%eax    //Get u
    movl %eax,(%edx)    //Store y as xp
    movl %ebx,(%ecx)      //Sotre x as yp
    addl %ebx,%eax         //return value = x + y
     
    popl %ebx        //restore  %ebx
    popl %ebp        //restore %ebp
    ret        //从过程调用中返回, 将控制转移回caller

代码分为3部分 建立部分：初始化栈帧；主体部分：执行过程的实体计算；结束部分：回复栈帧的状态，以及过程返回。这一部分的代码比较简单，就不在一一介绍，根据以上的3 部分，划分的已经很清晰了。(说明一点程序在执行到swap_add的代码之前，也就是在执行call语句已经把返回地址压入栈中)值得注意的是最后一部 分的popl %ebx   popl %ebp。它的作用是恢复了之前存储的栈帧指针的值，也就是调用程序的原始栈帧指针。从而程序就可以得到返回(有些细心的人会问那返回值咋么办？呵呵，返 回值是存入了%eax中，在接下来的调用程序caller中直接访问该寄存器就可以了)。 

 

正如前面所讲的那样，栈向低地址方向增长，而栈指针%esp指向栈顶元素，可以利用pushl将数据存入栈中并利用popl指令从栈中取出。将栈指针的值减小适当的值可以分配没有指定初始值的数据的空间，例如：subl $24,%esp。类似的，通过增加栈指针来释放空间。

下面就是返回之后继续执行的部分代码了：

movl -4(%ebp),%edx
subl -8(%ebp),%edx
imull %edx,%eax   //为了计算diff, 
leave          //为返回准备栈，GCC 产生的代码有时候会使用leave指令来释放栈帧，
　　　　　　　　 //而有时会使用一个或者两个popl指令。两个方法都可行。
ret             //从过程调用中返回

 为了计算diff，从栈中取出arg1,和arg2的值，并将寄存器%eax当做swap_add的返回值。

整个过程的栈变化如下所示：