关于函数调用栈

函数调用栈原理

指令指针

• 指令指针IP：指令寄存器存储，指向处理器下条等待执行的指令地址（代码内的偏移量），每次执行完 IP会增加
• 堆栈栈顶指针SP：堆栈指令寄存器存储，系统栈的栈顶地址
• 栈帧指针FP：栈帧基址指令寄存器存储，每个栈帧都有一个对应的栈帧基地址，局部变量和函数参数都可以通过FP确定，因为它们到FP的距离不会受到压栈和出栈操作影响。

为了访问函数局部变量，必须能定位每个变量。
局部变量相对于堆栈指针SP的位置在进入函数时就已确定，理论上变量可用SP加偏移量来引用，但SP会在函数执行期随变量的压栈和出栈而变动。
尽管某些情况下编译器能跟踪栈中的变量操作以修正偏移量，但要引入可观的管理开销。
而且在有些机器上(如Intel处理器)，用SP加偏移量来访问一个变量需要多条指令才能实现，由此设计了栈帧指针FP，FP两侧分别记录函数参数，及局部变量。

函数调用栈内部布局

栈帧：函数（运行中且未完成）占用的一块独立的连续内存区域。
函数调用通常是嵌套的，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。

编译器利用栈帧，使得函数参数和函数中局部变量的分配与释放对程序员透明。
编译器将控制权移交函数本身之前，插入特定代码将函数参数压入栈帧中，并分配足够的内存空间用于存放函数中的局部变量。
使用栈帧的一个好处是使得递归变为可能，因为对函数的每次递归调用，都会分配给该函数一个新的栈帧，这样就巧妙地隔离当前调用与上次调用。

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。

函数出入栈过程

• BP栈帧指针地址：间隔被调用函数（局部变量内存空间）和调用函数（被调函数参数，调用函数地址，指令指针）
• BP栈帧指针值：上一个栈帧的地址值，便于被调函数释放后，回到调用函数
• BP栈帧入栈时机：函数被调用，申请内存空间来存储前一个栈帧的地址值

从图中可以看出，函数调用时入栈顺序为：
实参N-1→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1-N 。
注意：内存地址降序

函数定义

• caller(主调函数，紫色)
• callee(被调函数，蓝色)

入栈过程

1. caller未调用callee，内存分布如下：
   EBP:caller EBP
   ESP:caller的LocalVariables

2. caller调用callee
   callee函数的参数入栈（由caller提供）
   caller的函数地址(vm_add)， EIP入栈(代码偏移量offset)。
   备注：代码位置 = vm_add + offset，即真实地址 = 虚拟地址 + 偏移量

3. callee栈帧指针入栈
   申请栈帧指针空间
   存储caller的栈帧指针地址

4. 申请callee局部变量空间
   为局部变量申请足够的内存空间
   Local Variable#1,Local Variable#2,Local Variable#3…Local Variable#n
   EBP:callee的EBP
   ESP:Local Variable#n

出栈过程

1. callee调用完毕
   callee局部变量空间释放
   EBP:callee ebp -> caller ebb
   ESP:caller ebp

2. caller函数执行复原

3. 代码执行复原：ip+return address = 代码位置
   callee函数空间释放：Argumne #1,Argumne #2,…,Argumne #1n
   EBP:caller ebb
   ESP:caller Load Variables