计算机系统学习2:程序的机器级表示之函数调用
一.预备知识
1.栈
图1 栈
push A// A压入栈
pop A // A弹出栈2.寄存器
图2 寄存器
EAX：累加器 Accumulator
EBX：地址寄存器 Base Register
ECX：计数器 Count Register
EDX：数据寄存器 Data Register
ESI：源变址寄存器 Source Index
EDI：目的变址寄存器 Destination Index
ESP：栈指针寄存器 Stack Pointer
EBP：基址指针寄存器 Base Pointer
3.汇编
图3 汇编指令
4.指针
图4 指针
二.函数调用分析
1.程序
//@C
int demo(){
int x = 10;
int y = 20;
int sum = add(&x, &y);
printf(“the sum is %d\n”,sum);//假设这条指令的地址为100
return sum;
}
int add(int *xp, int *yp){
int x = *xp;
int y = *yp;
return x+y;
}
//@汇编
demo:
1 pushl %ebp
2 movl %esp %ebp
3 subl %24 esp
4 movl $10 -4(%ebp)
5 movl $20 -8(%ebp)
6 leal -8(%ebp) %eax
7 movl %eax 4(%esp)
8 leal -4(%ebp) %eax
9 movl %eax esp
10 call add
11 打印结果(略)
add:
1 pushl %ebp
2 movl %esp %ebp
3 pushl %ebx
4 movl 8(%ebp) %edx
5 movl 12(%ebp) %ecx
6 movl (%edx) %ebx
7 movl (%ecx) %eax
8 add %ebx %eax
9 popl %ebx
10 popl %ebp
11 ret2.程序调用分析
计算机的程序平时储存在硬盘中，当CPU要执行程序的时候，会将程序提到内存中，程序的每条指令放在操作系统在内存中分配的一块区域，之后，操作系统会告诉CPU程序的入口，也就是程序的第一条指令的存放地址，CPU可以通过这个地址在内存中访问第一条指令，开始执行程序。
x86体系的计算机，CPU执行每个函数调用的时候都会创建一个所谓的“帧”，如图5所示。
图5 函数帧
所谓的函数帧就是内存中的一段连续空间，每当调用一个程序的时候，会将程序或者数据放入这个函数帧。示例：
void 函数A(){
....
函数B();
....
}
int 函数B(){
......
函数C();
......
}
int 函数C(){
......
函数D(); <- - 程序运行到了这一行
......
}
此代码的函数帧结构如图6所示：
图6 函数帧示例
需要注意的是，函数帧在内存中排列起来之后就像是一个先进后出的栈一样，其栈底在下，栈顶在上，地址从上向下，也就是说从高地址向低地址生长。
基址指针寄存器EBP会一直指向当前函数的函数帧的首地址（开始地址），而栈指针寄存器ESP则随着指令进行，直到指向函数帧的最后的地址。如图7所示：
图7 EBP,ESP功能示例
当CPU执行函数int demo()时，机器操作是：
demo:
1 pushl %ebp
2 movl %esp %ebp
3 subl %24 esp
4 movl $10 -4(%ebp)
5 movl $20 -8(%ebp)
6 leal -8(%ebp) %eax
7 movl %eax 4(%esp)
8 leal -4(%ebp) %eax
9 movl %eax esp
10 call add
11 打印结果(略)现在执行：
1 pushl %ebp//将寄存器ebp中的值压到栈中去
2 movl %esp %ebp //将esp的值赋给ebp此时，新的函数栈生成，其第一行的地址为800，内容（值）为1000，这个值时上个函数帧的首地址。由于新的函数栈只有一行数据，因此esp和ebp指向同一地址800。
图8 执行
在这里约定每次操作的是4个字节，即32位。因此保存数据1000的空间长度为4，因此ebp和esp均指向了800。
接着执行：
3 subl %24 esp// esp的值减去24此时，函数帧继续生长（开辟空间），esp的地址变为了776，如图9所示：
图9 执行
接着执行：
4 movl $10 -4(%ebp)//将10存入(ebp-4)的地址(796)
5 movl $20 -8(%ebp)//将20存入(ebp-8)的地址(792)如图10所示：
图10 执行
此时，将数据10，20存入分配的函数帧空间中，要注意，此时在机器中不再保存变量x,y,而是以值与地址的形式存在，这其实是在为变量分配地址。
接着执行：
6 leal -8(%ebp) %eax //将(ebp-8)的值792（地址）存入eax中
7 movl %eax 4(%esp) //将eax中的值792存入esp+4指向的地址（780）中
8 leal -4(%ebp) %eax //将(ebp-4)的值796（地址）存入eax中
9 movl %eax esp //将eax中的值796存入esp指向的地址（776）中如图11所示
图11 执行
当CPU调用函数int add(int *xp, int *yp)时，机器操作是：
10 call add此时我们要调用另外一个函数，但是我们还需要在执行完这个程序之后，返回到demo函数，因此我们需要记录下调用结束之后返回的地址，即调用函数的下一条命令printf(“the sum is %d\n”,sum);//假设这条指令的地址为100,如图12所示：
图12 执行
而我们的ebp寄存器只有一个，因此我们需要还需记录下ebp寄存器的值。因此把ebp的值要压入栈中，此时，esp要自动减4，同时将esp的值赋给ebp,即让ebp指向esp的地址，此时，ebp指向的地址为776-4=772.即此时，CPU执行：
1 pushl %ebp
2 movl %esp %ebp为了防止使用ebx中的数据，将ebx压入栈，即：
3 pushl %ebx然后执行：
4 movl 8(%ebp) %edx //将ebp+8地址中的值（776）取出放入edx中
5 movl 12(%ebp) %ecx //将ebp+12地址中的值（780）取出放入ecx中
6 movl (%edx) %ebx //edx中存的地址（796）的数据取出放入ebx中 (ebx)=10
7 movl (%ecx) %eax //ecx中存的地址（780）的数据取出放入eax中 (eax)=20这段代码的4，5行将x,y的地址&x,&y取出放入了寄存器中，然后又将地址中的数据取出来放入寄存器中，注意，这里做了2步操作，但是最终目标是取出地址中的数据,此时，ebx中存了数据10，eax中为20，
然后执行：
8 add %ebx %eax //将ebx的值与eax中的值相加，最后存入eax（累加器）中。最后执行：
9 popl %ebx
10 popl %ebp将ebx和ebp弹出栈，此时，ebp指向压入堆栈时的地址，即800.
最后执行：
11 ret此时，函数调用结束，返回主函数的下一条命令的地址，即打印输出命令的地址100。如图所示：
图13 执行
由此可见，栈在函数调用的时候，起到了至关重要的作用，其原因在于，CPU中栈指针寄存器EBP只有一个，而其指向函数帧开始的作用无可替代，因此，将其压入栈的操作能够暂时解放EBP的生产力，将其用于开辟下一个函数帧。
参考资料
- 刘欣，码农翻身，CPU阿甘：函数调用的秘密，地址：http://mp.weixin.qq.com/s/EoZyMgjEml_2rWu1dA85dA
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