函数调用过程中的栈帧结构及其变化

前言：本文旨在从汇编代码的角度出发，分析函数调用过程中栈帧的变化。

栈帧的简单介绍：

当某个函数运行时，机器需要分配一定的内存去进行函数内的各种操作，这个过程中分配的那部分栈称为栈帧。下图描述了栈帧的通用结构。栈帧是一段有界限的内存区间，由最顶端的两个指针界定，寄存器%ebp为帧指针，而寄存器%esp为栈指针(也就是说寄存器%ebp保存了所分配内存的最高地址，寄存器%esp保存了所分配内存的最低地址)。当程序执行时，栈指针(栈顶)可以移动，因此大多数信息的访问都是相对于桢指针的。

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，具体来说就是传参。准备被调用函数需要的参数。就上图而言，当前帧是为调用函数而开辟的栈帧，而参数1~参数n就是调用者传给被调用的参数，在当前帧中体现为设置参数构造区域。我们可以看到在当前帧上面仅挨着的是一个返回地址，这个返回地址是什么？
调用者在调用完函数以后，肯定需要从下一条指令接着执行。而这个地址就是下一条指令的地址。调用函数的指令为：

call <函数名>。这里的call就实现了下一地址的储存。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。
再举个具体的例子，如下图：

我们看一下主函数调用sum()函数的过程：

我们看到<+37>这一行再调用sum()函数。我们先看之前的几行：先设置变量值，再设置参数构造区，最后再调用函数。虽然这只是一个简单的例子，但是对于绝大数的调用来说，都符合这个规则，就是在调用函数前的几行，做的事情就是构造函数的参数。设置完成后再执行call。执行call的时候，先把下一条指令的地址入栈，再跳转。
被调用函数运行时：

这里直接对代码进行说明。我们先查看sum函数的汇编代码：

我们看到函数的前两行：

push %ebp

mov %esp,%ebp

对于绝大部分函数来说，前面的两行都跟这两行一样，我们来具体分析这两句干了什么：

首先是 push %ebp。当前%ebp保存的是调用者栈帧的栈底地址，那么push %ebp就是将调用者栈帧的栈底地址压入栈，即保存旧的%ebp。

接着是mov %esp,%ebp。我们刚刚把旧的%ebp的值保存了下来，但是%ebp值并没有发生改变，而我们现在在执行一个新的函数，那么%ebp保存的应该是新的栈帧的栈底。所以才把当前%esp储存的地址赋值给%ebp。（这里说明一下，对于每一次push操作，%esp储存的地址会-1）。那么这样一来的话，相当于调用者栈帧的栈顶现在作为了新的栈帧的栈底（并且该栈底保存的是调用者栈帧的栈底地址，请记住这一点）。而此时新的栈帧的栈底和栈底位于同一个位置。

而我们在函数里面是要执行各种操作的，所以我们需要给新栈帧分配一定的内存。这也就是后面接着的：sub $0x10,%esp。将%esp低地址移动16个字节。有了这么多的储存空间，才能支持函数里面的各种操作（也就是图中所述）。其实在这之前，还可能有一些push 语句，比如push %ebx之类的。这些push操作的目的其实同push %ebp差不多，都是保存调用者的值，以便在函数运行完以后再恢复数据。

再接着就是利用储存空间执行具体的操作了。最后说明一点的是，函数的返回值一般储存在%eax寄存器中。这个看上述代码也可以看出来：在执行sum()函数时，最后操作完的结构储存在%eax寄存器中。在执行完sum()函数以后，后面<+45>那一句就是将%eax寄存器的值赋值给主函数中的一个参数。

被调用函数运行结束时：

这里主要对：leave和ret指令进行分析。

首先是leave指令：在许多的地方都可以找到它的解释：用leave指令可以使栈做好返回的准备，它等价于下面的代码序列：

movl %ebp %esp

popl %ebp

然而当时我看了之后还是不是很理解，所以这里再进行进一步解释。

首先是movl %ebp %esp。当前%ebp保存的是什么？没错，当前栈帧的栈底地址，所以这一句话的作用就是把%esp给放回到调用者栈帧的栈底。联系到进入函数时的语句movl %esp %ebp，其实这就是个逆过程，旨在恢复原来栈顶的状态。

然后是popl    %ebp。popl是对栈顶元素进行出栈，而现在的栈顶(也是栈底)储存的是什么呢（上面请大家记住的东西就派上用场了），储存就是调用者栈帧的栈底地址。popl    %ebp就是把这一地址赋值给%ebp（其实这个也可以看作push    %ebp的逆过程），所以这一句话就是恢复调用者栈帧的栈底。这样一来的话调用者栈帧就基本上是恢复到原来的状态了。
        然后呢，显然上面也说了leave只是做好返回的准备。准备什么呢，我们调用完函数以后，调用者还需要接着向下执行指令，那么调用完函数以后就应该跳转到该函数的下一条指令的地址。这么跳转？还记得我们的call指令吗--先将下一条指令的地址入栈，然后跳转。这里ret的作用就是把哪一个地址给弹出栈，并且跳转到地址对应的语句，再接着执行，这样以来一个函数就完整地运行结束了。
        对照最开始地那个结构图来说，这两条语句地作用就是：（leave指令）先将栈指针%esp移动到桢指针%ebp，然后把被保存地%ebp赋值给寄存器%ebp（此时%esp+1，指向返回地址）。（ret指令）然后把返回地址出栈，并跳转到返回地址对应地指令。

总结：

函数调用过程中的栈帧变化是学习汇编是必须掌握的一个知识点，当时老师将的时候没有听得特别认真。所以线下自己去弄懂还花了点时间的。对于不熟悉的人来说，这个过程可以一遍两遍还是不怎么理解，但是只要多去想想，查查资料，问问同学，还是可以弄懂的。
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