c函数调用过程原理及函数栈帧分析实例

今天突然想分析一下函数在相互调用过程中栈帧的变化，还是想尽量以比较清晰的思路把这一过程描述出来，关于c函数调用原理的理解是很重要的。

1.关于栈

首先必须明确一点也是非常重要的一点，栈是向下生长的，所谓向下生长是指从内存高地址->低地址的路径延伸，那么就很明显了，栈有栈底和栈顶，那么栈顶的地址要比栈底低。对x86体系的cpu而言，其中

---> 寄存器ebp(base pointer )可称为“帧指针”或“基址指针”，其实语意是相同的。

---> 寄存器esp(stack pointer)可称为“ 栈指针”。

要知道的是：

---> ebp 在未受改变之前始终指向栈帧的开始，也就是栈底，所以ebp的用途是在堆栈中寻址用的。

---> esp是会随着数据的入栈和出栈移动的，也就是说，esp始终指向栈顶。

见下图，假设函数a调用函数b，我们称a函数为"调用者",b函数为“被调用者”则函数调用过程可以这么描述：

(1)先将调用者(a)的堆栈的基址(ebp)入栈，以保存之前任务的信息。

(2)然后将调用者(a)的栈顶指针(esp)的值赋给ebp，作为新的基址(即被调用者b的栈底)。

(3)然后在这个基址(被调用者b的栈底)上开辟(一般用sub指令)相应的空间用作被调用者b的栈空间。

(4)函数b返回后，从当前栈帧的ebp即恢复为调用者a的栈顶(esp)，使栈顶恢复函数b被调用前的位置;然后调用者a再从恢复后的栈顶可弹出之前的ebp值(可以这么做是因为这个值在函数调用前一步被压入堆栈)。这样，ebp和esp就都恢复了调用函数b前的位置，也就是栈恢复函数b调用前的状态。

这个过程在at&t汇编中通过两条指令完成，即：

leave

ret

这两条指令更直白点就相当于：

mov %ebp , %esp

pop %ebp

2.举个简单的实例，从汇编的视角看函数调用

2.1建立一个简单的程序，程序文件名为 main.c

开发测试环境：

ubuntu 12.04

gcc版本：4.6.3 (ubuntu/linaro 4.6.3-1ubuntu5) (是ubuntu自带的)

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/*main.c代码：*/

voidswap(int*a,int*b)

{

intc;

c=*a;

*a=*b;

*b=c;

}

intmain(void)

{

inta;

intb;

intret;

a=16;

b=64;

ret=0;

swap(&a,&b);

ret=a-b;

returnret;

}

2.2编译

#gcc -g -o main main.c

#objdump -d main > main.dump

#gcc -wall -s -o main.s main.c

这样大家可以看main.s也可以看main.dump，这里我们选择使用main.dump。

截取关键的部分，即_start, swap , main，为什么会有_start呢，因为elf格式的入口其实是_start而不是main()。下面的图展示了main()函数调用swap()前后的栈空间的结构。右边的数字代表相对帧指针的偏移字节数。后面我们使用gdb调试就会发现栈的变化跟下图是一致的。

(!!!请注意，由于栈对齐的缘故，编译器分配栈空间时可能会有没用到的内存地址，而这些没使用到的内存地址就没在下图表示出来，所以下图只能当作示意图来了解函数栈帧结构!!具体的栈内存内容以下文的gdb调试的信息为准!!!)

下面是main.dump中_start的代码注释，比较重要的是对esp的栈对齐操作，esp是16字节对齐的，注意左边行号的右边的0x8048300一类的数字是指令地址。

下面是main.dump中swap()函数和main()函数的汇编代码，代码旁有详细的注释。

下面我们使用gdb调试main.c的代码，使用刚才编译好的main镜像。

# gdb start (启动gdb)

# (gdb) file main (加载镜像文件)

# (gdb) break main (把main()设置为断点，注意gdb并没有把断点设置在main的第一条指令，而是设置在了调整栈指针为局部变量保留空间之后)

# (gdb) run (运行程序)

# (gdb) stepi (单步执行，不熟悉gdb的童鞋要注意了，stepi命令执行之后显示出来的源代码行或者指令地址，都是即将执行的指令，而不是刚刚执行完的指令!)