帶你了解嵌入式C語言函數(shù)調(diào)用棧

大家都知道函數(shù)調(diào)用是通過棧來實現(xiàn)的，而且知道在棧中存放著該函數(shù)的局部變量。但是對于棧的實現(xiàn)細節(jié)可能不一定清楚。本文將介紹一下在Linux平臺下函數(shù)棧是如何實現(xiàn)的。有些同學(xué)可能覺得沒必要了解這么深入，其實非也。根據(jù)本號多年的經(jīng)驗，了解系統(tǒng)深層次的原理對分析疑難問題有很好的幫助。

就像熟悉抓包是解決網(wǎng)絡(luò)通信問題的高級武器一樣，熟悉函數(shù)調(diào)用棧則是分析程序內(nèi)存問題的高級武器。本文以Linux 64位操作系統(tǒng)下C語言開發(fā)為例，介紹應(yīng)用程序調(diào)用棧的實現(xiàn)原理，并通過一個實例和GDB工具具體分析一下某個程序的調(diào)用棧內(nèi)容。在介紹具體的調(diào)用棧之前，我們先介紹一些基礎(chǔ)知識，這些知識是理解后續(xù)函數(shù)調(diào)用棧的基礎(chǔ)。

我們知道Intel的CPU在設(shè)計的時候都是向前兼容的，也就是在新一代的CPU上可以運行老一代CPU上的編譯的程序。為了保證兼容性，新一代CPU保留了老一代寄存器的別名。以16位寄存器AX為例，AL表示低8位，AH表示高8位。而32位CPU問世之后，通過名為EAX的寄存器表示32位寄存器，AX仍然保留。以此類推，RAX表示一個64位寄存器。

為了理解函數(shù)調(diào)用棧的細節(jié)，有必要了解一下匯編程序中函數(shù)調(diào)用的實現(xiàn)。函數(shù)的調(diào)用主要分為2部分，一個是調(diào)用，另外一個是返回。在匯編語言中函數(shù)調(diào)用是通過call指令完成的，返回則是通過ret指令。

匯編語言的call指令相當(dāng)于執(zhí)行了2步操作，分別是，1）將當(dāng)前的IP或CS和IP壓入棧中； 2）跳轉(zhuǎn)，類似與jmp指令。同樣，ret指令也分2步，分別是，1）將棧中的地址彈出到IP寄存器；2）跳轉(zhuǎn)執(zhí)行后續(xù)指令。這個基本上就是函數(shù)調(diào)用的原理。

除了在代碼間的跳動外，函數(shù)的調(diào)用往往還需要傳遞一個參數(shù)，而處理完成后還可能有返回值。這些數(shù)據(jù)的傳遞都是通過寄存器進行的。在函數(shù)調(diào)用之前通過上文介紹的寄存器存儲參數(shù)，函數(shù)返回之前通過RAX寄存器（32位系統(tǒng)為EAX）存儲返回結(jié)果。

另外一個比較重要的知識點是函數(shù)調(diào)用過程中與堆棧相關(guān)的寄存器RSP和RBP，兩個寄存器主要實現(xiàn)對棧位置的記錄，具體作用如下：RSP：棧指針寄存器(reextended stack pointer)，其內(nèi)存放著一個指針，該指針永遠指向系統(tǒng)棧最上面一個棧幀的棧頂。RBP：基址指針寄存器(reextended base pointer)，其內(nèi)存放著一個指針，該指針永遠指向系統(tǒng)棧最上面一個棧幀的底部。

寄存器的名稱跟體系結(jié)構(gòu)是相關(guān)的，本文是64位系統(tǒng)，因此寄存器是RSP和RBP。如果是32位系統(tǒng)則寄存器的名稱為ESP和EBP。

我們先從整體上來看一下函數(shù)調(diào)用棧的主要內(nèi)容，如圖4所示。在函數(shù)棧中主要包括函數(shù)參數(shù)表、局部變量表、棧的基址和函數(shù)返回地址。這里棧的基址是上一個棧幀的基址，因為在本函數(shù)中需要使用該基址訪問棧中的內(nèi)容，因此需要首先將上一個棧幀中的基址壓棧。

為了便于理解，我們以一個具體的程序作為示例。本程序非常簡單，主要是模擬了多個函數(shù)的函數(shù)調(diào)用關(guān)系和參數(shù)傳遞。另外，在函數(shù)func_2中定義了2個形參，以模擬多參數(shù)傳遞的過程。

在本示例中，main函數(shù)調(diào)用func_1函數(shù)。我們從main函數(shù)開始分析，可以先看一下右側(cè)的C語言代碼。首先是函數(shù)參數(shù)的準備過程。在main函數(shù)調(diào)用func_1時依次傳入的參數(shù)為1、2、3和4+g，其中最后一個參數(shù)是需要計算的。按照紅色方框的虛線，我們可以看到對應(yīng)的匯編程序，在匯編程序中首先處理最后一個參數(shù)，然后是倒數(shù)第二個，以此類推（函數(shù)參數(shù)的處理順序在日常開發(fā)中是需要注意的內(nèi)容重點）。同時，我們看到存儲參數(shù)的寄存器名稱與前文是一致。

當(dāng)準備完參數(shù)之后，就是調(diào)用func_1函數(shù)，這個在匯編語言中就是call func_1這一行。雖然只是一行匯編指令，但其實內(nèi)部做了一些事情，這個我們在前文介紹call指令的時候有所介紹，大家可以參考一下前文。

之后就進入func_1函數(shù)的處理邏輯。最一開始是pushq %rbp匯編程序，這句指令的作用是將RBP壓入函數(shù)棧中。這句壓棧及后面的更新RBP的值（moveq %rsp, %rbp）是構(gòu)建本函數(shù)的棧幀頭，后續(xù)對本棧幀的內(nèi)容的訪問都是通過幀頭（RBP）進行的。接下來是對參數(shù)壓棧的過程和局部變量初始化的過程，具體分布參考圖5中的綠色方框和紅色方框。

這樣，函數(shù)返回后寄存器RBP和RSP從被調(diào)用者的棧幀切換到了調(diào)用者的棧幀。