链接、装载与库——进程的栈

内存是承载程序的介质，是程序进行运算和表达的场所。

未有特殊说明，则默认在32bit操作系统中。

1. 程序的内存布局

操作系统会将内存空间中的一部分分给内核使用，应用程序无法访问这段内存，这段内存被称为内核空间。Windows默认情况将高地址的2GB空间分配给内核，Linux默认情况将高地址的1GB空间分配给内核。
剩下的内存空间称为用户空间，用户空间中有许多默认区域。

• 栈：栈用于维护函数调用的上下文。栈通常在用户空间的最高地址处分配，一般大小位数兆字节

• 堆：堆用来容纳应用程序动态分配的内存区域。堆通常在栈的下方（低地址方向）。堆一般比栈大可以有几十至数百兆字节的容量

• 可执行文件映像：存储着可执行文件在内存里的映像。

• 保留区：保留区不是一个单一的内存区域，而是对内存中受到保护而禁止访问的内存区域的总称

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• 栈向低地址增长，堆向高地址增长。当栈或堆现有的大小不够用时，它们将按照增长方向扩大，直到预留的的空间被用完为止

2. 栈（stack）

• 将数据压入栈中（入栈，push），将已经压入栈中的数据弹出（出栈，pop），即先入栈的数据后出栈（First In Last Out，FIFO）

• 压栈操作使栈增大，弹出操作使栈减小

• 栈总是向低地址增长的，栈顶由esp寄存器进行定位，栈底由ebp寄存器进行定位。压栈操作使栈顶地址减小，弹出操作使栈顶地址增大

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• 栈保存了一个函数调用所需要的维护信息，其被称为栈帧（Stack Frame）或活动记录（Activate Record），栈帧包含如下内容：

  • 函数的返回地址和参数

  • 临时变量：包括函数的非静态局部变量、编译器自动生成的其他临时变量

  • 保存的上下文： 包括在函数调用前后需要保持不变的寄存器

• 一个函数的活动范围由ebp和esp寄存器划定范围。esp寄存器始终指向栈的顶部即当前函数的活动记录的顶部，ebp寄存器指向函数活动记录的底部，ebp寄存器也被称为帧指针（Frame Pointer）

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• i386下的函数调用步骤如下

  • 把所有或一部分参数压入栈中，如果有其他参数没有入栈，那么使用某些特定的寄存器传递

  • 把当前指令的下一条指令的地址压入栈中

  • 跳转到函数体执行

  • 第二、三步由指令call一起执行

• i386下的函数体“标准”开头如下

  • push ebp（保存本栈帧的ebp）

  • mov ebp， esp（将ebp移动到栈顶）

  • sub esp， XXX（开辟新的栈帧）

  • push XXX（保存寄存器）

• i386下的函数体“标准”结束如下

  • pop XXX（恢复寄存器）

  • mov esp， ebp（恢复成调用者所在栈帧的栈顶）

  • pop ebp（恢复成调用者所在栈帧的栈基址）

  • ret（从栈顶取得下一条指令的地址，并跳转）

• 示例如下

  • 测试代码
    

  • main函数反汇编
    

  • foo函数反汇编
    

  • foo函数return之前时寄存器
    

  • foo函数return之前时内存
    

  • foo函数反汇编代码解析
    

• 某些场合，编译器生成函数的进入和退出指令序列不按照标准的方式进行，比如C函数满足：

  • 函数被声明为static（不可在此编译单元之外访问）

  • 函数在本编译单元仅被直接调用，没有显示或隐式的取地址（即没有任何函数指针指向过这个函数）

  • 编译器确信满足这两条的函数不会在其他编译单元内被调用，因此可以修改指令，达到优化目的

• 函数调用惯例（Calling Convention）

  • 函数参数的传递顺序和方式：规定函数调用方将参数压入栈的顺序（从左到右、从右至左）；规定函数参数的传递方式（通过栈传递，函数调用方将参数压入栈，自己在从栈中将参数取出、使用寄存器传递，提高性能）

  • 栈的维护：函数体执行完后，之前压入栈中的参数需要弹出，可以由函数调用方完成，也可以由函数体本身完成

  • 名字修饰（Name-mangling）策略：链接时区分调用惯例，不同的调用惯例有不同的名字修饰策略

  • C语言默认调用惯例是cdecl，任何一个没有显式指定调用惯例的函数都默认是cdecl，比如：int _cdecl foo(int a, int b, int c)

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• 函数返回值传递

  • 当返回值小于等于4字节时，函数将返回值存储在eax，调用者读取eax
  • 当返回值大于4字节，小于等于8字节时，函数使用eax和edx联合返回的方式。eax存储低4字节，edx高4字节
  • 当返回值大于8字节时，函数会使用一个临时的栈上内存空间（临时对象）作为中转，返回值对象会被拷贝两次
  • 当返回值大于8字节时，函数返回值传递示例如下：
    
    • 函数返回值传递测试代码
      
    • main函数返回值反汇代码
      
    • return_test函数反汇编代码
      
    • main函数中n的地址
      
    • 临时对象给main函数中的n赋值
      
  • 首先调用者在栈上将一部分空间作为传递返回值的临时对象
  • 将临时对象的地址作为隐藏参数传递给函数
  • 函数将数据拷贝给临时对象，并将临时对象的地址用eax传出
  • 函数返回后，调用者将eax指向临时对象的内容拷贝给局部变量
  • 返回值传递流程
    
  • 需要注意的是返回对象的拷贝情况完全不具备可移植性，不同的编译器产生的结果可能不同。函数传递大尺寸的返回值所使用的方法不是可移植的，不同编译器、不同平台、不同调用惯例、不同编译参数可能采用不同的实现方法
  • 在C++中要使用返回值优化技术（Return Value Optimization， RVO），直接将对象构造在临时对象上，减少一次从函数内局部变量对临时对象的拷贝构造步骤
    

    cpp_obj return_test(){    return cpp_obj();}

  *码字好累。。。→_→*