基本栈介绍

栈是一种后进先出的数据结构，其主要的操作主要有压栈(push)与出栈(pop)两种操作。
程序操作栈时，是操作当前sp指向的位置

  • 压栈时，sp由高地址向低地址移动，后将数据存入sp指向的位置
  • 出栈时，先将sp指向的数据弹出，然后sp由低地址向高地址移动

函数调用栈

C语言函数调用栈

程序的执行可以看作是连续的函数调用。当一个函数执行完毕时，程序要回到调用指令的下一条指令处继续执行。而这个函数调用的过程常使用堆栈实现，每个用户态进程对应一个调用栈结构。编译器使用堆栈传递函数参数、保存返回地址、临时保存寄存器原有值(即函数调用的上下文)以备恢复以及存储本地局部变量。

1 寄存器分配

寄存器是处理器加工数据或运行程序的重要载体，用于存放程序执行中用到的数据和指令
Intel 32位体系结构(IA32)处理器包含了8个四字节寄存器。对于寄存器%eax、%ebx、%ecx、%edx，各自又可作为两个独立的16位寄存器使用，而其中，低16位寄存器还可以继续分为两个独立的8位寄存器使用

在x86处理器中：

  • EIP是指令寄存器，指向处理器下条等待执行的指令地址(代码段内的偏移量)，每次执行完相应汇编指令EIP值就会增加
  • ESP是堆栈指针寄存器，存放执行函数对应栈帧的栈顶地址(也是系统栈的顶部)，且始终指向栈顶
  • EBP是栈帧基址指针寄存器，存放执行函数对应栈帧的栈底地址，用于C运行库访问栈中的局部变量和参数

[!info] 栈帧的概念
栈帧是用于实现函数调用的数据结构，又称过程活动记录。每个未运行完的函数对应一个栈帧，保存函数的返回地址、局部变量、执行环境信息及函数参数
所以通俗一点讲，栈帧就是程序调用函数时，栈上占用的空间

[!caution] EIP特殊寄存器
EIP作为一个特殊寄存器，不能像访问其它通用寄存器一样访问它，找不到可用来寻址EIP并对其进行读写的操作码，但是EIP可以被jmp、call和ret等指令隐含地改变

[!info] 栈帧指针寄存器
为了访问函数的局部变量，必须能定位每个变量。局部变量的位置在进入函数时就已经确定了，理论上可以通过ESP加偏移量的方式引用，但是ESP会在函数执行期间随着压栈和出栈而改变。用ESP加偏移量来访问变量还是有些不太方便
因此，许多编译器使用栈帧指针寄存器FP来记录栈帧基地址。局部变量和函数参数都可以通过帧指针引用，因为它们到FP的 距离不会受到压栈和出栈的影响，也称帧指针为局部基指针
而在Intel CPU中，寄存器BP用作帧指针，以FP地址为基准，函数参数的偏移量是正值，而局部变量的偏移量是负值

2 寄存器使用约定

程序寄存器组是唯一能被所有函数共享的资源。虽然某一时刻只有一个函数在执行，但需保证当某个函数调用其他函数时，被调函数不会修改或覆盖主调函数稍后会使用到的寄存器值
寄存器%eax、%edx和%ecx为主调函数保存寄存器，当函数调用时，若主调函数希望保持这些寄存器的值，则必须在调用前显式地将其保存在栈中；被调函数可以覆盖这些寄存器，而不会破坏主调函数所需的数据。寄存器%ebx、%esi和%edi为被调函数保存寄存器，即被调函数在覆盖这些寄存器的值时，必须先将寄存器原值压入栈中保存起来，并在函数返回前从栈中恢复其原值，因为主调函数可能也在使用这些寄存器。此外，被调函数必须保持寄存器%ebp和%esp，并在函数返回后将其恢复到调用前的值，亦即必须恢复主调函数的栈帧（堆栈平衡）

3 栈帧结构

函数调用经常是嵌套的，在同一时刻，堆栈中会有多个函数的信息。每个未完成运行的函数占用一个独立的连续区域，称作栈帧。栈帧是堆栈的逻辑片段，当调用函数时逻辑栈帧被压入堆栈, 当函数返回时逻辑栈帧被从堆栈中弹出。栈帧存放着函数参数，局部变量及恢复前一栈帧所需要的数据等。
栈帧的边界由栈帧基地址指针EBP和堆栈指针ESP界定(指针存放在相应寄存器中)。EBP指向当前栈帧底部(高地址)，在当前栈帧内位置固定；ESP指向当前栈帧顶部(低地址)，当程序执行时ESP会随着数据的入栈和出栈而移动。因此函数中对大部分数据的访问都基于EBP进行。
故EBP为帧基指针， ESP为栈顶指针

函数入栈时的入栈顺序：
实参N1 -> 主调函数返回地址 -> 主调函数帧基指针EBP -> 被调函数局部变量1N

函数调用以值传递时，传入的实参(locMain13)与被调函数内操作的形参(para13)两者存储地址不同，因此被调函数无法直接修改主调函数实参值(对形参的操作相当于修改实参的副本)。为达到修改目的，需要向被调函数传递实参变量的指针(即变量的地址)

4 函数调用约定

创建一个栈帧的最重要步骤是主调函数如何向栈中传递函数参数。主调函数必须精确存储这些参数，以便被调函数能够访问到它们。函数通过选择特定的调用约定，来表明其希望以特定方式接收参数。此外，当被调函数完成任务后，调用约定规定先前入栈的参数由主调函数还是被调函数负责清除，以保证程序的栈顶指针完整性。

函数调用约定通常规定如下几方面内容：

  1. 函数参数的传递顺序和方式
    最常见的参数传递方式是通过堆栈传递。主调函数将参数压入栈中，被调函数以相对于帧基指针的正偏移量来访问栈中的参数。对于有多个参数的函数，调用约定需规定主调函数将参数压栈的顺序(从左至右还是从右至左)。某些调用约定允许使用寄存器传参以提高性能。
  2. 栈的维护方式
    主调函数将参数压栈后调用被调函数体，返回时需将被压栈的参数全部弹出，以便将栈恢复到调用前的状态。该清栈过程可由主调函数负责完成，也可由被调函数负责完成。
  3. 名字修饰(Name-mangling)策略
    又称函数名修饰(Decorated Name)规则。编译器在链接时为区分不同函数，对函数名作不同修饰。
    若函数之间的调用约定不匹配，可能会产生堆栈异常或链接错误等问题。因此，为了保证程序能正确执行，所有的函数调用均应遵守一致的调用约定。
5 参数传递
  • 整型与指针参数，4字节传递
  • 浮点数，8字节传递
  • 结构体和联合体，为了满足4字节对齐，会以4字节的倍数传递
6 返回值传递
  1. 若返回值不超过4字节(如int、short、char、指针等类型)，通常将其保存在EAX寄存器中，调用方通过读取EAX获取返回值
  2.  若返回值大于4字节而小于8字节(如long long或_int64类型)，则通过EAX+EDX寄存器联合返回，其中EDX保存返回值高4字节，EAX保存返回值低4字节
  3. 若返回值为浮点类型(如float和double)，则通过专用的协处理器浮点数寄存器栈的栈顶返回
  4. 若返回值为结构体或联合体，则主调函数向被调函数传递一个额外参数，该参数指向将要保存返回值的地址。即函数调用foo(p1, p2)被转化为foo(&p0, p1, p2)，以引用型参数形式传回返回值。具体步骤可能为：a.主调函数将显式的实参逆序入栈；b.将接收返回值的结构体变量地址作为隐藏参数入栈(若未定义该接收变量，则在栈上额外开辟空间作为接收返回值的临时变量)；c. 被调函数将待返回数据拷贝到隐藏参数所指向的内存地址，并将该地址存入%eax寄存器。因此，在被调函数中完成返回值的赋值工作
  5. 不要返回指向栈内存的指针，如返回被调函数内局部变量地址(包括局部数组名)。因为函数返回后，其栈帧空间被“释放”，原栈帧内分配的局部变量空间的内容是不稳定和不被保证的