过程调用的实现

gaunthan Posted on May 14 2016

? The Implement of Program ?

## 概述
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(Intel Architecture x32)，只提供转移控制到过程 (call) 和从过程中转移出控制 (ret) 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。

## 栈帧结构
IA32程序用运行时栈来支持过程调用。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。为单个过程分配的那部分栈称为**栈帧**（stack frame）。栈帧的最顶端以两个指针界定，寄存器ebp为**帧指针**，而寄存器esp为栈指针。当程序执行时，栈指针可以移动，因此大多数信息的访问都是相对于帧指针的。

下图描绘了栈帧的通用结构：

![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=587b6c95ab64413e630049eb)

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（例如ebp）开始，后面是保存的其他寄存器的值。

过程Q也用栈来保存其他不能存放在寄存器中的局部变量。这样做的原因如下：

* 没有足够多的寄存器存放所有的局部变量。
* 有些局部变量是数组或结构，因此必须通过数组或结构引用来访问。
* 要对一个局部变量使用地址操作符`&`，就必须能够为它生成一个地址。

另外，Q会用栈帧来存放它调用的其他过程的参数。在Q被调用的过程中，第一个参数是放在相对于%ebp偏移量为+8的位置处（%ebp放旧ebp，4(%ebp)放返回地址），剩下的参数存储在后续的4字节块中，所以参数i就在相对于ebp偏移量为`4 + 4i`的地方（32位平台）。较大的参数（比如结构和较大的数字格式）需要栈上更大的区域。

## 转移控制指令
下表是支持过程调用和返回的指令：
![](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=587b6c95ab64413e630049ea)

call指令有一个目标，即指明被调用过程起始的指令地址。同跳转一样，调用可以是直接的，也可以是间接的。在汇编代码中，直接调用的目标是一个标号，而间接调用的目标是 * 后面跟一个操作数指示符。

call指令的效果是将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。返回地址是在程序中紧跟在call后面的那条指令的地址，这样当被调用过程返回时，执行会从此处继续。ret指令从栈中弹出地址，并跳转到这个位置。正确使用这条指令，可以使栈做好准备，栈指针要指向前面call指令存储返回地址的位置。

* `call Label`等价于下面的代码序列：
```c
movl %eip, %esp    # 返回地址放入栈顶
jmp Label          # 跳转到对应处
```

* `leave`等价于下面的代码序列：
```c
movl %ebp, %esp    # 使栈指针指向栈帧首
popl %ebp          # 恢复旧%ebp并使栈指针指向返回地址
```

* `ret`等价于下面的代码序列：
```c
popl %eip          # 恢复指令指针
```

## 寄存器使用惯例
程序寄存器组是唯一能被所有过程共享的资源。虽然在给定时刻只能有一个过程是活动的，但是我们必须保证一个过程（调用者）调用另一个过程（被调用者）时，被调用者不会覆盖某个调用者稍后会使用的寄存器的值。为此，IA32采用了一组统一的寄存器使用惯例，所有的过程都必须遵守，包括程序库中的过程。

根据惯例，寄存器被分为两类：

## 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.