总结汇编函数调用中的栈分配

爱被打了一巴掌 2023-02-12 07:24 12阅读 0赞

这篇日志总结一下函数调用过程中，每一个函数的栈空间分配，参数传递等问题，在一些高级语言如Java，C\#等，在源程序编译后，交由虚拟机进行解释运行，运行过程中实时翻译成对应操作系统下的机器指令，这样CPU才能直接执行，C语言也如此，不过它是直接编译后运行，而不是执行过程中动态解释运行。无论是像C这种面向过程的，还是Java，C\#等面向对象的编程语言，它们都一定要有函数，或者说方法，用来将一个大程序模块化分成一个一个小的功能模块。拿Java举例，JVM的方法调用，并不是CPU直接执行，Java方法一定是封装在类中，JVM通过类寻址找到调用方法的索引地址，经过保存现场、初始化数据、栈空间分配和压栈，返回等操作完成方法调用，因为Java程序运行时动态将字节码解释成机器指令，所以JVM最终调用的是一堆机器码，下面用一个C实现的两数相加程序，看看函数（方法）调用过程中，栈空间分配和压栈出栈过程的变化。

来看一个简单的两数相加例子：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int run(int a, int b);
    
    int main(int argc, char const* argv[]) 
    {
    	int a = 9;
    	int b = 5;
    	int result = run(a, b);
    	
    	printf("result = %d\n", result);
    	
    	return 0;
    }
    
    int run(int a, int b) 
    {
    	int result = a + b;
    	
    	return result;
    }

run（）函数接受两个int型变量，返回它们相加后的值，代码里一共有两个函数，main（）函数和run（）函数，函数的调用过程，很简单，从第10行可以看到调用了run（）函数，可是这是C语言实现的代码，未经过编译，CPU不能直接执行，也就是说，虽然第10行进行了显示函数调用，但是CPU看不懂，需要将C代码编译成CPU能看懂的机器码，才能执行，想要搞明白其在CPU里的执行过程，首先尝试下把这段C代码翻译成汇编代码。

## main（）函数汇编 ##

### 栈空间分配 ###

main:
    	push	%ebp
    	movl%esp, %ebp
    	subl64, %esp // 栈空间分配，64字节
    	
    	movl$9, 54(%esp) // 初始化数据
    	movl$5, 50(%esp)
    	
    	molv54(%esp), %eax // 数据压栈
    	movl%eax, 4(%esp)
    	movl50(%esp), %eax
    	movl%eax, (%esp)
    	
    	call run // 函数调用
    	movl%eax, 60(%esp)
    	movl$0, %eax
    	leave
    	ret

首先看main（）函数的汇编代码，第一句push %ebp作用是保存现场，即保存调用main（）函数的调用者栈的基地址，接着下一句movl%esp, %ebp，将栈的基地址指向栈顶，%esp为栈顶，最后为栈分配空间，subl64, %esp即分配大小为64个字节的空间，初始化完成后的main（）函数栈状态大概是这样的：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

以前我们学数据结构与算法时，知道栈的结构是最上面为栈底，最下面为栈顶，内存地址高位在上，低位在下，在64位操作系统上一个int型数据包含4个字节，那么64字节大小的main（）方法栈上就有16个块。

### 初始化数据 ###

根据前面的C程序步骤，main（）函数初始化完成之后，接着是两个int型数据的初始化，int a = 9;和int b = 5;解释成对应的汇编代码是movl$9, 54(%esp)和movl$5, 50(%esp)。这两句的意思是，将数据“9”放到栈顶往上偏移54字节的位置，将数据“5”放到栈顶往上偏移50字节的位置，因为初始化时%esp表示的是栈顶嘛，初始化数据后栈内的情况就变成了这样：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

栈底空出来的位置，即栈顶偏移量60个字节的位置用来存放调用函数的返回值。

### 数据压栈 ###

跟着往下走，C程序中初始化数据后，接着到int result = run(a, b);，调用run（）函数，函数调用过程中进行了参数传递，把main（）函数中初始化的两个数据a和b传入run（）函数中进行计算，数据压栈的过程解释出的对应汇编代码如下：

molv54(%esp), %eax

movl%eax, 4(%esp)

movl50(%esp), %eax

movl%eax, (%esp)

这段代码比较容易看懂，第一，二条指令将栈顶往上偏移54字节处的数据，也就是“9”，放到eax寄存器中，然后再将它放到esp栈顶往上偏移4字节处的位置。第三，四条指令一样，先把数据“5”拿出来放到eax寄存器中，再放到esp栈顶中，这里没有给出偏移量，所以指的是栈顶位置。两个数据完成压栈，这样main（）函数调用run（）函数调用时才能进行传参，压栈后的栈空间状态变成了这样：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

### 函数调用 ###

数据压栈完成后，对于main（）函数来说，一切准备就绪，可以进行run（）函数调用了，在C程序中只需简单一句显式调用，提供一个int型result整数接收返回值即可，int result = run(a, b);，解释到具体的汇编代码，也是比较简单的一句call run。call run执行完后，会将函数返回值保存到%eax寄存器中吗，所以下一条指令是movl%eax, 60(%esp)，main（）函数想要拿到执行结果，会将%eax寄存器的值放到栈顶往上偏移60字节处的位置，也就是上面初始化时据时留出的空位：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

最后的最后，就是main（）函数的返回，相信大家都记得，返回0表示程序正常退出，return 0;对应的汇编代码就是movl$0, %eax，leave，ret。

## run（）函数汇编 ##

上面总结了main（）函数调用过程中其方法栈的变化过程，对于run（）函数的调用，只是简单带过，接下来把run（）函数调用时的方法栈变化过程也总结下。run（）函数调用时，也需要为其分配一个方法栈，在C程序中run（）函数长这样：

int run(int a, int b) 
    {
    	int result = a + b;
    	
    	return result;
    }

可以看到，run（）函数做的事情很简单，获取参数，两数相加后返回，解释成汇编代码如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

解释成汇编代码后，可以看到，前三条指令和前面main（）函数一样，都是保存现场，指向调用函数的栈顶，然后分配空间，这里假设分配16字节的空间（只需两个int型整数，够了），分配后run（）函数的栈空间如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

run（）函数栈一个四个块，一个块4个字节，在run（）函数栈底的上面还多出了两个块，分别保存了eip和ebp两个寄存器，ebp保存调用者栈的基地址，也就是main（）函数，之后在run（）函数分配栈地址时会指向其栈顶，eip寄存器就是CS:IP段寄存器中的IP寄存器，保存的是偏移地址，这个在上一篇日志里有讲到，eip寄存器在这里的作用就是保存现场，在调用run（）函数时，需要保存调用者也就是main（）当前执行到的位置，这样在run（）函数调用完毕后，返回到main（）函数，才能接着之前指令的顺序的往下运行。在汇编代码执行函数，也就是执行call指令时，会自动将当前的eip寄存器入栈，接着执行run（）函数后，eip会指向函数内的指令，这样才能一条一条执行，函数执行完毕后，原本入栈的eip跟着出栈，这样CPU就知道接下来运行的指令在哪了。

### 获取参数 ###

接着往下走，进入run（）函数后，先要获取传入来的参数a和b，它们的地址分别是%ebp往上偏移12个字节和8个字节的位置，对应上面的图可以看到，就是数据9和5，9放到eax寄存器，5放到edx寄存器。这部分很容易看懂，不多做解释

### 执行 ###

需要的参数获取完成后，执行run（）函数中的求和运算，翻译成汇编指令，正好就有一条add专门用来求和，addl%edx, %eax表示把edx寄存器和eax寄存器中的数据求和，得到的结果放到eax寄存器中。求和完成后，下一条指令是movl%eax -4(%ebp)，表示的是将eax寄存器，也就是得到的结果，放到ebp往下偏移4字节的位置处，如下图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

### 返回 ###

到这里，run（）函数执行完毕了，可以进行返回，可是从上面的汇编代码图看到，leave之前run（）函数还做了一步：movl-4(%ebp), %eax，也就是又把执行结果放回了%eax寄存器中，没错，看C代码里，run（）函数最后是不是要return result，这里就是将返回值放到eax寄存器中，再返回出去给main（）函数，最后leave，ret。

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