C/C++堆栈指引

Binhua Liu

前言

    我们经常会讨论这种问题：什么时候数据存储在飞鸽传书堆栈(Stack)中。什么时候数据存储在堆(Heap)中。我们知道。局部变量是存储在堆栈中的。debug时。查看堆栈能够知道函数的调用顺序。函数调用时传递參数，其实是把參数压入堆栈，听起来。堆栈象一个大杂烩。

那么。堆栈(Stack)究竟是怎样工作的呢？ 本文将具体解释C/C++堆栈的工作机制。阅读时请注意以下几点：

    1）本文讨论的语言是 Visual C/C++。因为高级语言的堆栈工作机制大致相同，因此对其它高级语言如C#也有意义。

    2）本文讨论的堆栈，是指程序为每一个线程分配的默认堆栈，用以支持程序的运行，而不是指程序猿为了实现算法而自定义的堆栈。

    3)  本文讨论的平台为intel x86。

    4）本文的主要部分将尽量避免涉及到汇编的知识。在本文最后可选章节，给出前面章节的反编译代码和凝视。

    5）结构化异常处理也是通过堆栈来实现的(当你使用try…catch语句时，使用的就是c++对windows结构化异常处理的扩展)，可是关于结构化异常处理的主题太复杂了，本文将不会涉及到。

从一些主要的知识和概念開始

    1) 程序的堆栈是由处理器直接支持的。

在intel x86的系统中，堆栈在内存中是从高地址向低地址扩展（这和自定义的堆栈从低地址向高地址扩展不同），例如以下图所看到的：

    因此。栈顶地址是不断减小的，越后入栈的数据，所处的地址也就越低。

    2) 在32位系统中，堆栈每一个数据单元的大小为4字节。

小于等于4字节的数据。比方字节、字、双字和布尔型。在堆栈中都是占4个字节的；大于4字节的数据在堆栈中占4字节整数倍的空间。

    3) 和堆栈的操作相关的两个寄存器是EBP寄存器和ESP寄存器的，本文中。你仅仅须要把EBP和ESP理解成2个指针就能够了。ESP寄存器总是指向堆栈的栈顶。运行PUSH命令向堆栈压入数据时，ESP减4。然后把数据复制到ESP指向的地址；运行POP命令时。首先把ESP指向的数据复制到内存地址/寄存器中，然后ESP加4。EBP寄存器是用于訪问堆栈中的数据的。它指向堆栈中间的某个位置（具体位置后文会具体解说），函数的參数地址比EBP的值高。而函数的局部变量地址比EBP的值低，因此參数或局部变量总是通过EBP加减一定的偏移地址来訪问的，比方，要訪问函数的第一个參数为EBP+8。

    4) 堆栈中究竟存储了什么数据？ 包含了：函数的參数，函数的局部变量，寄存器的值（用以恢复寄存器）。函数的返回地址以及用于结构化异常处理的数据（当函数中有try…catch语句时才有，本文不讨论）。这些数据是依照一定的顺序组织在一起的，我们称之为一个堆栈帧（Stack Frame）。

一个堆栈帧相应一次函数的调用。

在函数開始时，相应的堆栈帧已经完整地建立了（全部的局部变量在函数帧建立时就已经分配好空间了，而不是随着函数的运行而不断创建和销毁的）；在函数退出时，整个函数帧将被销毁。

    5) 在文中，我们把函数的调用者称为Caller（调用者）。被调用的函数称为Callee（被调用者）。之所以引入这个概念。是因为一个函数帧的建立和清理，有些工作是由Caller完毕的，有些则是由Callee完毕的。

開始讨论堆栈是怎样工作的 

    我们来讨论堆栈的工作机制。堆栈是用来支持函数的调用和运行的。因此，我们以下将通过一组函数调用的样例来解说，看以下的代码：

    这段代码本身并没有实际的意义。我们仅仅是用它来跟踪堆栈。

以下的章节我们来跟踪堆栈的建立。堆栈的使用和堆栈的销毁。

 堆栈的建立

    我们从main函数运行的第一行代码，即int result=foo(3,4); 開始跟踪。这时main以及之前的函数相应的堆栈帧已经存在在堆栈中了，例如以下图所看到的：

图1

    參数入栈 

   当foo函数被调用。首先。caller（此时caller为main函数）把foo函数的两个參数：a=3,b=4压入堆栈。參数入栈的顺序是由函数的调用约定(Calling Convention)决定的。我们将在后面一个专门的章节来解说调用约定。

一般来说，參数都是从左往右入栈的，因此，b=4先压入堆栈，a=3后压入。如图：

图2

   返回地址入栈

    我们知道。当函数结束时。代码要返回到上一层函数继续运行。那么，函数怎样知道该返回到哪个函数的什么位置运行呢？函数被调用时，会自己主动把下一条指令的地址压入堆栈，函数结束时，从堆栈读取这个地址，就能够跳转到该指令运行了。

假设当前＂call foo＂指令的地址是0x00171482,因为call指令占5个字节，那么下一个指令的地址为0x00171487，0x00171487将被压入堆栈:

图3

    代码跳转到被调用函数运行

    返回地址入栈后。代码跳转到被调用函数foo中运行。

到眼下为止，堆栈帧的前一部分，是由caller构建的；而在此之后。堆栈帧的其它部分是由callee来构建。

   EBP指针入栈

    在foo函数中。首先将EBP寄存器的值压入堆栈。

因为此时EBP寄存器的值还是用于main函数的，用来訪问main函数的參数和局部变量的。因此须要将它暂存在堆栈中，在foo函数退出时恢复。同一时候，给EBP赋于新值。

    1）将EBP压入堆栈

    2）把ESP的值赋给EBP

图4

    这样一来，我们非常easy发现当前EBP寄存器指向的堆栈地址就是EBP先前值的地址。你还会发现发现。EBP+4的地址就是函数返回值的地址。EBP+8就是函数的第一个參数的地址（第一个參数地址并不一定是EBP+8，后文中将讲到）。

因此，通过EBP非常easy查找函数是被谁调用的或者訪问函数的參数（或局部变量）。

    为局部变量分配地址

    接着，foo函数将为局部变量分配地址。

程序并非将局部变量一个个压入堆栈的，而是将ESP减去某个值。直接为全部的局部变量分配空间，比方在foo函数中有ESP=ESP-0x00E4。如图所看到的：

图5

     奇怪的是，在debug模式下，编译器为局部变量分配的空间远远大于实际所需，并且局部变量之间的地址不是连续的（据我观察。总是间隔8个字节）例如以下图所看到的：

图6

    我还不知道编译器为什么这么设计。也许是为了在堆栈中插入调试数据，只是这无碍我们今天的讨论。

通用寄存器入栈

     最后。将函数中使用到的通用寄存器入栈。暂存起来。以便函数结束时恢复。在foo函数中用到的通用寄存器是EBX，ESI，EDI，将它们压入堆栈，如图所看到的：

图7

   至此，一个完整的堆栈帧建立起来了。

堆栈特性分析

   上一节中，一个完整的堆栈帧已经建立起来。如今函数能够開始正式运行代码了。本节我们对堆栈的特性进行分析，有助于了解函数与堆栈帧的依赖关系。

   1）一个完整的堆栈帧建立起来后，在函数运行的整个生命周期中，它的结构和大小都是保持不变的。不论函数在什么时候被谁调用。它相应的堆栈帧的结构也是一定的。

   2）在A函数中调用B函数，相应的，是在A函数相应的堆栈帧“下方”建立B函数的堆栈帧。比如在foo函数中调用foo1函数，foo1函数的堆栈帧将在foo函数的堆栈帧下方建立。例如以下图所看到的：

图8 

  3）函数用EBP寄存器来訪问參数和局部变量。我们知道，參数的地址总是比EBP的值高，而局部变量的地址总是比EBP的值低。

而在特定的堆栈帧中，每一个參数或局部变量相对于EBP的地址偏移总是固定的。因此函数对參数和局部变量的的訪问是通过EBP加上某个偏移量来訪问的。比方，在foo函数中，EBP+8为第一个參数的地址，EBP-8为第一个局部变量的地址。

   4）假设细致思考，我们非常easy发现EBP寄存器另一个非常重要的特性，请看下图中：

图9

   我们发现。EBP寄存器总是指向先前的EBP，而先前的EBP又指向先前的先前的EBP。这样就在堆栈中形成了一个链表！这个特性有什么用呢。我们知道EBP+4地址存储了函数的返回地址，通过该地址我们能够知道当前函数的上一级函数（通过在符号文件里查找距该函数返回地址近期的函数地址，该函数即当前函数的上一级函数），以此类推，我们就能够知道当前线程整个的函数调用顺序。

其实，调试器正是这么做的，这也就是为什么调试时我们查看函数调用顺序时总是说“查看堆栈”了。

返回值是怎样传递的

    堆栈帧建立起后。函数的代码真正地開始运行，它会操作堆栈中的參数，操作堆栈中的局部变量，甚至在堆（Heap）上创建对象。balabala….，最终函数完毕了它的工作。有些函数须要将结果返回给它的上一层函数，这是怎么做的呢？

    首先，caller和callee在这个问题上要有一个“约定”，因为caller是不知道callee内部是怎样运行的，因此caller须要从callee的函数声明就能够知道应该从什么地方取得返回值。相同的，callee不能随便把返回值放在某个寄存器或者内存中而指望Caller能够正确地获得的，它应该依据函数的声明，依照“约定”把返回值放在正确的”地方“。以下我们来解说这个“约定”：  
    1）首先。假设返回值等于4字节。函数将把返回值赋予EAX寄存器，通过EAX寄存器返回。

比如返回值是字节、字、双字、布尔型、指针等类型，都通过EAX寄存器返回。

    2）假设返回值等于8字节，函数将把返回值赋予EAX和EDX寄存器。通过EAX和EDX寄存器返回，EDX存储高位4字节，EAX存储低位4字节。比如返回值类型为__int64或者8字节的结构体通过EAX和EDX返回。

    3)  假设返回值为double或float型。函数将把返回值赋予浮点寄存器，通过浮点寄存器返回。

    4）假设返回值是一个大于8字节的数据。将怎样传递返回值呢？这是一个比較麻烦的问题，我们将具体解说：

        我们改动foo函数的定义例如以下并将它的代码做适当的改动：

         MyStruct定义为：

     这时，在调用foo函数时參数的入栈过程会有所不同。例如以下图所看到的：

图10

    caller会在压入最左边的參数后，再压入一个指针。我们姑且叫它ReturnValuePointer，ReturnValuePointer指向当前ESP值下方非常远的一个地址，这个地址将用来存储函数的返回值。

函数返回时，把返回值复制到ReturnValuePointer指向的地址中。然后把ReturnValuePointer的地址赋予EAX寄存器。

函数返回后。caller通过EAX寄存器找到ReturnValuePointer。然后通过ReturnValuePointer找到返回值。

    你也许会有这种疑问，函数返回后。相应的堆栈帧已经被销毁，而ReturnValuePointer是在该堆栈帧中。不也应该被销毁了吗？对的，堆栈帧是被销毁了。可是程序不会自己主动清理当中的值，因此ReturnValuePointer中的值还是有效的。

    可是，这里另一个问题我没有答案。ReturnValuePointer指向的地址是由caller决定的。而才caller并不知道callee相应的堆栈帧会有多大。假设callee相应的堆栈帧非常大那么就可能会和返回值的地址重合。我还不知道VS编译器通过什么策略来避免这个问题。

堆栈帧的销毁

    当函数将返回值赋予某些寄存器或者复制到堆栈的某个地方后，函数開始清理堆栈帧，准备退出。堆栈帧的清理顺序和堆栈建立的顺序刚好相反：（堆栈帧的销毁过程就不一一绘图说明了）

   1）假设有对象存储在堆栈帧中，对象的析构函数会被函数调用。

    2）从堆栈中弹出先前的通用寄存器的值，恢复通用寄存器。

    3）ESP加上某个值，回收局部变量的地址空间（加上的值和堆栈帧建立时分配给局部变量的地址大小相同）。

    4）从堆栈中弹出先前的EBP寄存器的值，恢复EBP寄存器。

    5）从堆栈中弹出函数的返回地址，准备跳转到函数的返回地址处继续运行。

    6）ESP加上某个值，回收全部的參数地址。

    前面1-5条都是由callee完毕的。

而第6条。參数地址的回收，是由caller或者callee完毕是由函数使用的调用约定（calling convention ）来决定的。以下的小节我们就来解说函数的调用约定。

函数的调用约定（calling convention）

    函数的调用约定(calling convention)指的是进入函数时，函数的參数是以什么顺序压入堆栈的，函数退出时。又是由谁（Caller还是Callee）来清理堆栈中的參数。有2个办法能够指定函数使用的调用约定：

    1）在函数定义时加上修饰符来指定，如

    2）在VSproject设置中为project中定义的全部的函数指定默认的调用约定：在project的主菜单打开Project|Project Property|Configuration Properties|C/C++|Advanced|Calling Convention。选择调用约定（注意：这种做法对类成员函数无效）。

    经常使用的调用约定有以下3种：

    1）__cdecl。这是VC编译器默认的调用约定。其规则是：參数从右向左压入堆栈，函数退出时由caller清理堆栈中的參数。这种调用约定的特点是支持可变数量的參数，比方printf方法。因为callee不知道caller究竟将多少參数压入堆栈。因此callee就没有办法自己清理堆栈，所以仅仅有函数退出之后，由caller清理堆栈，因为caller总是知道自己传入了多少參数。

    2）__stdcall。

全部的Windows API都使用__stdcall。其规则是：參数从右向左压入堆栈，函数退出时由callee自己清理堆栈中的參数。因为參数是由callee自己清理的，所以__stdcall不支持可变数量的參数。

    3) __thiscall。类成员函数默认使用的调用约定。

其规则是：參数从右向左压入堆栈。x86构架下this指针通过ECX寄存器传递，函数退出时由callee清理堆栈中的參数，x86构架下this指针通过ECX寄存器传递。相同不支持可变数量的參数。

假设显式地把类成员函数声明为使用__cdecl或者__stdcall，那么，将採用__cdecl或者__stdcall的规则来压栈和出栈，而this指针将作为函数的第一个參数最后压入堆栈。而不是使用ECX寄存器来传递了。

反编译代码的跟踪（不熟悉汇编可跳过）

    以下代码为和foo函数相应的堆栈帧建立相关的代码的反编译代码，我将逐行给出凝视。可对比前文中对堆栈的描写叙述：

    main函数中 int result=foo(3,4); 的反汇编：

    以下是foo函数代码正式运行前和运行后的反汇编代码

參考

Debug Tutorial Part 2: The Stack

Intel汇编语言程序设计(第四版) 第8章

http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/46t77ak2(VS.80).aspx