栈与函数调用

gaunthan Posted on Jan 5 2017

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## 栈
在计算机系统中，栈是一个**后进先出**的**动态**内存区域。程序可以将数据**压入**（push）栈中，也可以将数据从栈**弹出**（pop）。压栈操作使得栈增大，而弹出操作使栈减小。在经典的操作系统里，栈总是**向下增长**的。在 i386 里，栈顶由称为esp的寄存器进行定位。压栈的操作使得栈顶的地址减小，弹出的操作使得栈顶地址增大。

下图是栈的一个实例，需要注意的是地址自上而下递减：

![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=587b3662ab64413e630040bd)

这里栈底的地址是 0xbfffffff，而 esp 寄存器标明了栈顶，地址为 0xbffffff4。在栈上压入数据会导致 esp 减小，弹出数据使得 esp 增大。相反，直接减小 esp 的值也等效于在栈上开辟空间，直接增大 esp 的值等效于在栈上回收空间。

## 栈与函数调用
栈保存了一个函数调用所需要的维护信息，这常常被称为**堆栈帧**（Stack Frame）或**活动记录**（Activate Record）。堆栈帧一般包括如下几方面内容：

* 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生成的暂存变量
* 保存的上下文：包括在函数调用前后需要保持不变的寄存器

在 i386 中，一个函数的活动记录用ebp和esp这两个寄存器划定范围。esp 寄存器始终指向栈的顶部，同时也就指向当前函数的活动记录的顶部。而相对的，ebp寄存器指向了函数活动记录的一个固定位置，ebp寄存器又被称为**帧指针**(Frame Pointer）。

在参数之后的数据（包括参数）即是当前函数的活动记录，ebp 的位置是固定的，不随这个函数的执行而变化。相反地，esp 始终指向栈顶，随着函数的执行会不断变化。固定不变的 ebp 可以用来定位函数活动记录中的各个数据。ebp 直接指向的数据是调用该函数前 ebp 的值，这样在函数返回的时候，ebp 可以通过读取这个值恢复到调用前的值。之所以函数的活动记录会形成这种结构，是因为函数调用本身是如此书写的。

一个常见的活动记录示意图如下： 
![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=587b3662ab64413e630040be)

一个 i386 下的函数总是这样调用的：

1. 把所有或一部分参数压入栈中，如果有其他参数没有入栈，那么使用某些特定的寄存器传递
2. 把当前指令的下一条指令的地址压入堆栈（返回地址）
3. 跳转到函数体执行

## 函数调用惯例
函数的调用方和被调用方对于函数如何调用有一个明确的约定，这样的约定称为**调用惯例**（Calling Convention）。一个调用惯例一般会规定如下几个方面的内容：

* 函数参数的传递顺序和方式
函数参数的传递有很多种方式，最常见的一种是通过栈传递。函数的调用方将参数压入栈中，函数自己再从栈中将参数取出。对于有多个参数的函数，调用惯例要规定函数调用方将参数压栈的顺序：是从左至右，还是从右至左。有些调用惯例还允许使用寄存器传递参数，以提高性能。
* 栈的维护方式
在函数将参数压栈之后，函数体会被调用，此后需要将被压入栈中的参数全部弹出，以使得栈在函数调用前后保持一致。这个弹出的工作可以由函数的调用方来完成，也可以由函数本身来完成。
* 名字修饰（Name-managling）策略
为了链接的时候对调用惯例进行区分，调用惯例要对函数本身的名字进行修饰。不同的调用惯例有不同的名字修饰策略。C 语言默认的调用惯例是**cdecl**。

## References

- RandalE.Bryant, DavidR.O’Hallaron, 布赖恩特,等. 深入理解计算机系统[M]. 机械工业出版社, 2011.
- 俞甲子, 石凡, 潘爱民. 程序员的自我修养[M]. 电子工业出版社, 2009.