CSAPP又双叒叕来一遍之函数调用过程栈帧的变化

CSAPP

函数调用在第三章第七章均有涉及，故专门总结一波函数调用栈帧的变化

1、熟悉一下程序的进程空间 ，即对进程如何使用内存

先讨论32位的计算机，计算机物理内存的大小是固定的，就是计算机主板内存槽上的实际物理内存，cpu可以直接进行寻址，物理内存的容量是固定的，但是寻址的空间取决于cpu地址线的数量。在32位系统上，线性地址空间可达4G（2^32）；这4G一般是按照3：1的比例进行分配，用户进程享有3G的空间，而内核独自享有剩下的1G内存

2、谈谈栈帧的概念

栈帧(stack frame)，机器用栈来传递过程参数，存储返回信息，保存寄存器用于以后恢复，以及本地存储。为单个过程(函数调用)分配的那部分栈称为栈帧。
栈帧其实 是两个指针寄存器，寄存器%ebp为帧指针（指向该栈帧的最底部），而寄存器%esp为栈指针（指向该栈帧的最顶部），当程序运行时，栈指针可以移动(大多数的信息的访问都是通过帧指针的，换句话说，就是如果该栈存在，%ebp帧指针是不移动的，访问栈里面的元素可以用-4(%ebp）或者8(%ebp)访问%ebp指针下面或者上面的元素)。
总之简单 一句话，栈帧的主要作用是用来控制和保存一个过程的所有信息的。栈帧结构如下所示：

大概解释：假设过程P（调用者）调用过程Q（被调用者），则Q的参数放在P的栈帧中。另外，当P调用Q时，P中的返回地址被压入栈中，形成P的栈帧的末尾 （返回地址就是当程序从Q返回时应该继续执行的地方）。Q的栈帧从保存的帧指针的值开始，后面到新的栈指针之间就是该过程的部分了。

3、函数具体调用示例

源代码（忽略主函数）:

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int swap_add(int* xp,int* yp) {
    int x = *xp;
    int y = *yp;
    *xp = y;
    *yp = x;
    return x+y;
}
int caller(){
    int arg1 = 534;
    int arg2 = 1057;
    int sum = swap_add(&arg1,&arg2);
    int diff = arg1 - arg2;
    
    return sum * diff;
}

经过汇编之后caller部分的代码为：

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caller:
    pushl %ebp   //保存%ebp 
    movl %esp,%ebp    //设置新的帧指针为旧的栈指针
    subl $24,%esp  //分配24子节的栈空间
    movl $534,-4(%ebp) //设置arg1=534
    movl $1057,-8(%ebp) //设置arg2=1057
    leal -8(%ebp),%eax //计算&arg2
    movl %eax,4(%esp) //将&arg2存入栈中
    leal -4(%ebp),%eax //计算&arg1
    movl %eax,(%esp) //将&arg1存入栈中
    call swap_add //调用swap_add-------------------》过程调用
    movl -4(%ebp),%edx /从栈中取出arg1,和arg2的值
    subl -8(%ebp),%edx //为了计算diff, 
    imull %edx,%eax  
    leave //为返回准备栈，GCC 产生的代码有时候会使用leave指令来释放栈帧，
           //而有时会使用一个或者两个popl指令。两个方法都可行。
    ret             //从过程调用中返回

这段代码先保存了%ebp的一个副本，将新的过程（该函数的ebp）的ebp设置为栈帧的开始位置。然后将栈指针减去24，从而在栈上分配了24字 节的空间（你应该思考一下为什么是24字节,记得有两个为保存的寄存器），然后是初始化两个局部变量，计算两个局部变量的地址并存入栈中，形成了函数swap_add的参数。将这些 参数存储到相对于栈指针偏移量为0和+4的地方，留待稍后的swap_add调用访问。然后调用swap_add

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swap_add:
    pushl %ebp //save old %ebp
    movl %esp,%ebp  //set %ebp as frame pointer
    pushl %ebx     //save %ebx
     
    movl 8(%ebp),%edx   //Get xp
    movl 12(%ebp),%ecx   //Get yp
    movl (%edx),%ebx   //Get x
    movl (%ecx),%eax    //Get u
    movl %eax,(%edx)    //Store y as xp
    movl %ebx,(%ecx)      //Sotre x as yp
    addl %ebx,%eax         //return value = x + y
     
    popl %ebx        //restore  %ebx
    popl %ebp        //restore %ebp
    ret        //从过程调用中返回, 将控制转移回caller

说明三点，1、说明一点程序在执行到swap_add的代码之前，也就是在执行call语句已经把返回地址压入栈中，包括%esp-4. 2、最后一部 分的popl %ebx popl %ebp。它的作用是恢复了之前存储的栈帧指针的值. 3、返回值是存入了%eax中，在接下来的调用程序caller中直接访问该寄存器

整个过程的栈变化如下所示