CSAPP (一): 栈帧, 计算机的世界观

心已赠人 2022-03-30 12:08 300阅读 0赞

### 栈帧, 计算机的世界观 ###

*  概述
 *  寄存器
 *   *  解释
 *  栈帧
 *   *  %esp 和 %ebp 定义了一个栈帧
 *  总结

# 概述 #

任一时刻, 计算机都在执行一个程序 (进程), 这个正在执行的**状态**可以用以下内容**唯一**确定:

*  程序的代码
 *  当前寄存器组的状态
 *  堆和栈的数据

知道了以上三者, 可以唯一确定现在计算机正在执行哪个程序, 执行的是该程序的哪一个**函数**的哪一**行**.

由于程序的代码一般是不变的, 所以一个程序的多个实例如果同时执行(同一**程序**的多个**进程**), 那么它们共享同一个程序代码, 但是每一个进程都有自己各自的寄存器组状态和堆栈数据. 同理, 同一**进程**的多个**线程**拥有各自的寄存器组状态和栈, 共享同一个进程的堆栈数据.

**本专题以 IA-32 架构为语境.**

# 寄存器 #

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>名称</th> 
   <th>用法</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>%eax</td> 
   <td>随便用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%ebx</td> 
   <td>随便用, 使用完要恢复初值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%ecx</td> 
   <td>随便用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%edx</td> 
   <td>随便用</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%esi</td> 
   <td>随便用, 使用完要恢复初值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%edi</td> 
   <td>随便用, 使用完要恢复初值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%esp</td> 
   <td>指向栈顶, 表示当前栈帧的上界</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%ebp</td> 
   <td>表示当前栈帧的下界, 即<strong>函数的作用域</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%eip</td> 
   <td>表示下一个要执行代码的地址</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 解释 ##

*  %ebx, %esi 和 %edi 要在使用前 push, 使用后 pop, **这是惯例**.
 *  %esp 表示栈顶, **是当前调用函数的最深处**, 所谓的"越界"实际上就是访问了比栈顶更往上的内存 (即地址比 %esp 更小的内存).
 *  %ebp 表示当前栈帧的起点, 这个值**很重要**, 所有局部变量和函数的参数的**位置**都可以通过 %ebp 的值找到.下文会讲.

# 栈帧 #

栈帧即为栈 (内存) 的某一部分, 这一部分唯一对应一个函数的作用域, 它里面的数据是该函数的所有**局部变量**和要调用下一个函数时传递的**参数**以及一些需要临时保存的数据. 每调用一个函数, 栈上便会创建一个该函数对应的栈帧.

在学C语言的时候, 看到过这句话:

> *函数局部变量的生命周期从执行函数开始, 到函数返回结束*

用底层的语言来解释就是: 执行函数的时候创建栈帧 (里面包含函数的局部变量), 函数返回时释放栈帧.  
**由于 (%esp, %ebp) 可以唯一确定一个栈帧, 而相邻栈帧的上下界可以互相推导出来, 所以每调用一个函数, 都会先保存之前栈帧的下界 %ebp, 然后再给当前栈帧的上界 %esp 赋新的值.**

下面来详细解释上述的这几段话.

## %esp 和 %ebp 定义了一个栈帧 ##

将以下C语言代码

void foo(int p1, int p2) { 
    	int v1 = 7;
    	int v2 = p1;
    	int v3 = 1 + p2;
    }

用gcc和objdump转化为汇编语言

push %ebp
    mov %esp, %ebp
    sub $0x10, %esp
    movl $0x7, -0xc(%ebp)
    mov 0x8(%ebp), %eax
    mov %eax, -0x8(%ebp)
    mov 0xc(%ebp), %eax
    add $0x1, %eax
    mov %eax, -0x4(%ebp)

一行一行来解释:

1.  将%ebp压栈, 即保存调用者的栈帧的下界 ( 栈帧的上界是调用该语句前的%esp, 因为压栈导致 %esp 的值 -4 )
2.  将 %esp 的值赋给 %ebp, 即当前栈帧的下界是上一个栈帧的上界 + 4. ( 因为栈帧是连续存储的, 所以只需保存上一个栈帧的起点即可, 上一个栈帧的终点可以由当前栈帧的起点计算出来. )
3.  将 %esp - 0x10, 即为当前栈帧分配空间, 我们发现当前函数实际上只有3个临时变量, 需要的空间是 12 byte 小于分配的 16 byte, 这是因为要进行**对齐**.
4.  将立即数7赋值给 %ebp - 12 的位置
5.  将 %ebp + 8 位置的值赋给中间变量
6.  将中间变量赋值给 %ebp - 8的位置
7.  将 %ebp + 12 位置的值赋值给中间变量
8.  中间变量 + 1
9.  将中间变量的值赋值给 %ebp - 4 的位置

前三行留给下文具体解释, 我们只关注 4 ~ 9 行, 很明显可以看到 **函数参数和局部变量的位置可以由 %ebp 来计算得到**, 如下图所示.

![%ebp的作用][ebp]  
由此可见, 通过 %ebp 可以得到当前函数的所有变量以及参数的位置, 所以 %ebp 就相当于一个函数的**基地址**. 而下一个栈帧的 %ebp 是由 %esp 得到的, 所以 %esp 的值即为当前栈帧和下一个栈帧的分界线. 因此%esp 和 %ebp 定义了一个栈帧.

# 总结 #

过程式语言如 C 语言, 从 main 函数开始, 到 main 函数返回结束, 期间调用了其他函数. 因此在实际运行中, 内存中唯一在变化的是栈(先不考虑堆), 栈的变化就像是音乐播放器的声音波形一样上上下下.

*  当调用一个函数的时候, 栈增长了一部分作为该函数的栈帧, 里面包含了该函数的所有局部变量;
 *  当一个函数又调用另一个有参数的函数前, 按照参数的逆序将参数 push 进栈中.
 *  当一个函数返回时, 栈帧释放, 栈减小. 恢复原来的 %ebp 和 %esp, 并将 %eip 设置为函数返回后下一条应执行指令的地址.
 *  ( 除了全局作用域 ) 程序执行的每一步都是以一个函数为当前的context, 他所需要的所有变量都可以通过 %ebp 或者 %esp 直接或者间接地找到.

就是这样.

[ebp]: /images/20220330/e082a77aaf2d499692b1f23ae97074e6.png