函数调用时栈是如何变化的？

Posted 2022-03-23 程序员编程指南

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：

#include <stdio.h>

int sum (int a,int b)

 int c = a + b;
 return c;


int main()

 int x = 5,y = 10,z = 0;
 z = sum(x,y);
 printf("%d\\r\\n",z);
 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。

0000000000000000 <sum>:
   0: 55                    push   %rbp 
   1: 48 89 e5              mov    %rsp,%rbp
   4: 89 7d ec              mov    %edi,-0x14(%rbp) # 参数传递
   7: 89 75 e8              mov    %esi,-0x18(%rbp) # 参数传递
   a: 8b 55 ec              mov    -0x14(%rbp),%edx
   d: 8b 45 e8              mov    -0x18(%rbp),%eax
  10: 01 d0                 add    %edx,%eax 
  12: 89 45 fc              mov    %eax,-0x4(%rbp) # 局部变量
  15: 8b 45 fc              mov    -0x4(%rbp),%eax # 存储结果
  18: 5d                    pop    %rbp
  19: c3                    retq   

000000000000001a <main>:
  1a: 55                    push   %rbp # 保存%rbp。rbp，栈底的地址
  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
  1e: 48 83 ec 10           sub    $0x10,%rsp # 分配 16字节栈空间。%rsp = %rsp-16
  22: c7 45 f4 05 00 00 00  movl   $0x5,-0xc(%rbp) # 赋值
  29: c7 45 f8 0a 00 00 00  movl   $0xa,-0x8(%rbp) # 赋值
  30: c7 45 fc 00 00 00 00  movl   $0x0,-0x4(%rbp) # 赋值
  37: 8b 55 f8              mov    -0x8(%rbp),%edx  
  3a: 8b 45 f4              mov    -0xc(%rbp),%eax 
  3d: 89 d6                 mov    %edx,%esi # 参数传递 ，从右向左
  3f: 89 c7                 mov    %eax,%edi # 参数传递
  41: e8 00 00 00 00        callq  46 <main+0x2c> # 调用sum
  46: 89 45 fc              mov    %eax,-0x4(%rbp) 
  49: 8b 45 fc              mov    -0x4(%rbp),%eax # 存储计算结果
  4c: 89 c6                 mov    %eax,%esi
  4e: 48 8d 3d 00 00 00 00  lea    0x0(%rip),%rdi        # 55 <main+0x3b>
  55: b8 00 00 00 00        mov    $0x0,%eax
  5a: e8 00 00 00 00        callq  5f <main+0x45>
  5f: b8 00 00 00 00        mov    $0x0,%eax 
  64: c9                    leaveq 
  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）。

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

最后，会执行到call指令处，调用sum函数。

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：

push   %rbp 
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。

mov    %edi,-0x14(%rbp) # 参数传递
mov    %esi,-0x18(%rbp) # 参数传递
mov    -0x14(%rbp),%edx
mov    -0x18(%rbp),%eax
add    %edx,%eax
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。

add    %edx,%eax 
mov    %eax,-0x4(%rbp) # 局部变量
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

pop %rbp
retq

这两条指令的功能相当于下面的指令：

mov %rbp,%rsp
pop %rbp
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：

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：

mov    %eax,-0x4(%rbp) 
mov    -0x4(%rbp),%eax # 计算结果
mov    %eax,%esi
mov    %eax,%esi
lea    0x0(%rip),%rdi  
mov    $0x0,%eax
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。

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：

mov %rbp, %rsp
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。

end