浅析函数调用的栈帧 - 知乎

在 x86 的计算机系统中，内存空间中的栈主要用于保存函数的参数，返回值，返回地址，本地变量等。一切的函数调用都要将不同的数据、地址压入或者弹出栈。

什么是栈？

栈是一种 LIFO(后进先出)
可以想象下函数调用的时候, 父函数调用子函数，父函数在前，子函数在后。返回的时候子函数先返回，父函数后返回。 ps: 递归就是明显利用函数调用这种栈的结构来实现的。

什么是栈帧？

栈帧本质上是一种栈，只是这种栈专门用于保存函数调用过程中的各种信息（参数，返回地址，本地变量等）。栈帧有栈顶和栈底之分，其中栈顶的地址最低，栈底的地址最高。

两个主要寄存器

1. ESP 寄存器
栈指针寄存器 (extended stack pointer)，其内存放着一个指针，该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶。

2.EBP 寄存器
基址指针寄存器(extended base pointer)，其内存放着一个指针，该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的底部。

一般来说，我们将 %ebp 到 %esp 之间区域当做栈帧（也有人认为该从函数参数开始，不过这不影响分析）。并不是整个栈空间只有一个栈帧，每调用一个函数，就会生成一个新的栈帧。在函数调用过程中，我们将调用函数的函数称为 “调用者(caller)”，将被调用的函数称为“被调用者(callee)”。在这个过程中，1）“调用者” 需要知道在哪里获取 “被调用者” 返回的值；2）“被调用者”需要知道传入的参数在哪里，3）返回的地址在哪里。同时，我们需要保证在 “被调用者” 返回后，%ebp, %esp 等寄存器的值应该和调用前一致。因此，我们需要使用栈来保存这些数据。

函数调用实例

函数的调用

//被调函数 callee 
int CalleeFunction(int x, int y, int z)
{
    int a, b, c;
    a = 4;
    b = 5;
    c = 6;
    return;
}
//主调函数 caller
int CallerFunction()
{
    int x = 1, y = 2, z = 3; 
    //调用被调函数
    CalleeFunction(1, 2, 3);
    ...
}

我们来看下 Callee 函数的汇编代码

_CalleeFunction:
    push %ebp            ; //保存%ebp的值
    movl %esp, $ebp      ; //将%esp的值赋给%ebp，使新的%ebp指向栈顶
    movl -12(%esp), %esp ; //分配额外空间给本地变量
    movl $4, -4(%ebp)    ; 
    movl $5,  -8(%ebp)   ; 
    movl $6,  -12(%ebp)  ;

此时调用者做了两件事情：第一，将被调用函数的参数按照从右到左的顺序压入栈中。第二，将返回地址压入栈中。这两件事都是调用者负责的，因此压入的栈应该属于调用者的栈帧。我们再来看看被调用者，它也做了两件事情：第一，将老的（调用者的） %ebp 压入栈，此时 %esp 指向它。第二，将 %esp 的值赋给 %ebp, %ebp 就有了新的值，它也指向存放老 %ebp 的栈空间。这时，它成了是函数 CalleeFunction() 栈帧的栈底。这样，我们就保存了 “调用者” 函数的 %ebp，并且建立了一个新的栈帧。

在 %ebp 更新后，我们先分配一块 0x12 字节的空间用于存放本地变量，这步一般都是用 sub 或者 mov 指令实现。在这里使用的是 movl。通过使用 mov 配合 -4(%ebp), -8(%ebp) 和 -12(%ebp) 我们便可以给 a, b 和 c 赋值了。

函数返回

和调用函数时正好相反。当函数完成自己的任务后，它会将 %esp 移到 %ebp 处，然后再弹出旧的 %ebp 的值到 %ebp。这样，%ebp 就恢复到了函数调用前的状态。

//被调函数 callee 
int CalleeFunction(int x, int y, int z)
{
    int a, b, c;
    ...
    return;
}

汇编代码

_CalleeFunction:
    push %ebp
    movl %esp, %ebp
    movl -12(%esp), %esp
    ...
    mov %ebp, %esp
    pop %ebp
    ret

ret 指令，这个指令相当于 pop + jum。它首先将数据（返回地址）弹出栈并保存到 %eip 中，然后处理器根据这个地址无条件地跳到相应位置获取新的指令。

被调用函数返回后的栈帧

小结

这批函数栈帧分析为基础 方便大家理解 golang 启动过程中对栈帧的一系列操作，比如最骚的把 goexit() 塞入到newg 的栈顶等过程~
https://zhuanlan.zhihu.com/p/425119402