函数调用栈

首先引入几个寄存器：

EIP，EBP，ESP都是系统的寄存器，里面存的都是些地址。

为什么要说这三个指针，是因为我们系统中栈的实现上离不开他们三个。

我们DC上讲过栈的数据结构，主要有以下特点：

后进先处。（这个强调过多）

其实它还有以下两个作用：

1.栈是用来存储临时变量，函数传递的中间结果。

2.操作系统维护的，对于程序员是透明的。

我们可能只强调了它的后进先出的特点，至于栈实现的原理，没怎么讲？下面我们就通过一个小例子说说栈的原理。

先写个小程序：

void fun(void)

{

printf("hello world")；

}

void main(void)

{

fun()

printf("函数调用结束");

}

这是一个再简单不过的函数调用的例子了。

当程序进行函数调用的时候，我们经常说的是先将函数压栈，当函数调用结束后，再出栈。这一切的工作都是系统帮我们自动完成的。

但在完成的过程中，系统会用到下面三种寄存器：

1.EIP        Extended Instructions Pointer 指令寄存器

2.ESP     Extended Stack Pointer栈指针寄存器

3.EBP      Extended (Stack) Base Pointer 栈基指针寄存器

当调用fun函数开始时，三者的作用。

1.EIP寄存器里存储的是CPU下次要执行的指令的地址。

也就是调用完fun函数后，让CPU知道应该执行main函数中的printf（"函数调用结束"）语句了。

2.EBP寄存器里存储的是是栈的栈底指针，通常叫栈基址，这个是一开始进行fun()函数调用之前，由ESP传递给EBP的。（在函数调用前你可以这么理解：ESP存储的是栈顶地址，也是栈底地址。）

3.ESP寄存器里存储的是在调用函数fun()之后，栈的栈顶。并且始终指向栈顶。

当调用fun函数结束后，三者的作用：

1.系统根据EIP寄存器里存储的地址，CPU就能够知道函数调用完，下一步应该做什么，也就是应该执行main函数中的printf（“函数调用结束”）。

2.EBP寄存器存储的是栈底地址，而这个地址是由ESP在函数调用前传递给EBP的。等到调用结束，EBP会把其地址再次传回给ESP。所以ESP又一次指向了函数调用结束后，栈顶的地址。

其实我们对这个只需要知道三个指针是什么就可以，可能对我们以后学习栈溢出的问题以及看栈这方面的书籍有些帮助。当有人再给你说EIP,ESP,EBP的时候，你不能一头雾水，那你水平就显得洼了许多。其实不知道我们照样可以编程,因为我们是C级别的程序员，而不是ASM级别的程序员。

 

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2010年1月29日 C语言堆栈入门——堆和栈的区别 原文：http://student.csdn.net/link.php?url=http://www.top-e.org%2Fjiaoshi%2Fhtml%2F427.html

 

 

 

在计算机领域，堆栈是一个不容忽视的概念，我们编写的C语言程序基本上都要用到。但对于很多的初学着来说，堆栈是一个很模糊的概念。堆栈：一种数据结构、一个在程序运行时用于存放的地方，这可能是很多初学者的认识，因为我曾经就是这么想的和汇编语言中的堆栈一词混为一谈。我身边的一些编程的朋友以及在网上看帖遇到的朋友中有好多也说不清堆栈，所以我想有必要给大家分享一下我对堆栈的看法，有说的不对的地方请朋友们不吝赐教，这对于大家学习会有很大帮助。

 

数据结构的栈和堆

    首先在数据结构上要知道堆栈，尽管我们这么称呼它，但实际上堆栈是两种数据结构：堆和栈。

 

    堆和栈都是把一些数据项按序排列的数据结构。

 

我们先从大家比较熟悉的栈说起吧：

    栈就像装数据的桶或箱子，它是一种具有“后进先出”性质的数据结构，也就是说后存放的先取，先存放的后取。这就如同我们要取出放在箱子里面底下的东西（放入的比较早的物体当然就压在底下了，），我们首先要移开压在它上面的物体（放入的比较晚的物体）。

 

堆像一棵倒过来的树

而堆就不同了，堆是一种经过排序的树形数据结构，每个结点都有一个值。通常我们所说的堆的数据结构，是指二叉堆。堆的特点是根结点的值最小（或最大），且根结点的两个子树也是一个堆。由于堆的这个特性，常用来实现优先队列，堆的存取是随意，这就如同我们在图书馆的书架上取书，虽然书的摆放是有顺序的，但是我们想取任意一本时不必像栈一样，先取出前面所有的书，书架这种机制不同于箱子，我们可以直接取出我们想要的书。

 

内存分配中的栈和堆

    然而我要说的重点并不在这，我要说的堆和栈并不是数据结构的堆和栈，之所以要说数据结构的堆和栈是为了和后面我要说的堆区和栈区区别开来，请大家一定要注意。

 

    下面就说说C语言程序内存分配中的堆和栈，这里有必要把内存分配也提一下，大家不要嫌我啰嗦，一般情况下程序存放在Rom或Flash中，运行时需要拷到内存中执行，内存会分别存储不同的信息，如下图（数据在内存中的存储图示）所示：

 

0xc0000000 内核虚拟内存      ——有内核使用

         

           栈区              --  程序运行时用于存放局部变量，可向下延展空间

 

0x40000000 共享库的内存影像

                             ----程序运行是用于分配malloc和new 申请的区域

           堆区              ----的用于分配程序员申请的内存空间

          

           可读写区（.data.bss）--用于存放全局变量和静态变量

 

0408048000 只读区             存放程序和常量等

 

         0 未使用区

 

    内存中的栈区处于相对较高的地址，栈是向下增长的。

 

栈中分配局部变量空间，堆区是向上增长的用于分配程序员申请的内存空间。另外还有静态区是分配静态变量，全局变量空间的；只读区是分配常量和程序代码空间的；以及其他一些分区。

 

来看一个网上很流行的经典例子：

 

main.cpp

int a = 0; 全局初始化区

char *p1; 全局未初始化区

main()

{

int b; 栈

char s[] = "abc"; 栈

char *p2; 栈

char *p3 = "123456"; 123456\0在常量区，p3在栈上。

static int c =0； 全局（静态）初始化区

p1 = (char *)malloc(10);  堆

p2 = (char *)malloc(20);  堆

}

 

0.申请方式和回收方式不同

    不知道你是否有点明白了，堆和栈的第一个区别就是申请方式不同：栈（英文名称是stack）是系统自动分配空间的，例如我们定义一个 char a；系统会自动在栈上为其开辟空间。而堆（英文名称是heap）则是程序员根据需要自己申请的空间，例如malloc（10）；开辟十个字节的空间。由于栈上的空间是自动分配自动回收的，所以栈上的数据的生存周期只是在函数的运行过程中，运行后就释放掉，不可以再访问。而堆上的数据只要程序员不释放空间，就一直可以访问到，不过缺点是一旦忘记释放会造成内存泄露。还有其他的一些区别我认为网上的朋友总结的不错这里转述一下：

 

1.申请后系统的响应

 

栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。

 

堆：首先应该知道操作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆。

 

    结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的 delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

    也就是说堆会在申请后还要做一些后续的工作这就会引出申请效率的问题。

 

 

2.申请效率的比较

根据第0点和第1点可知。

 

 

栈：由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。

 

堆：是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便。

 

3.申请大小的限制

栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。

堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。

 

4.堆和栈中的存储内容

由于栈的大小有限，所以用子函数还是有物理意义的，而不仅仅是逻辑意义。

 

栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中函数调用后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。

    当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。

堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

 

关于存储内容还可以参考这道题。这道题还涉及到局部变量的存活期。

 

5.存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；放在栈中。

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；放在堆中。

但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

比如：

#include

void main()

{

char a = 1;

char c[] = "1234567890";

char *p ="1234567890";

a = c[1];

a = p[1];

return;

}

对应的汇编代码

10: a = c[1];

00401067 8A4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]

0040106A 88 4D FCmov byte ptr [ebp-4],cl

11: a = p[1];

0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]

00401070 8A42 01 mov al,byte ptr [edx+1]

00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

 

关于堆和栈区别的比喻

堆和栈的区别可以引用一位前辈的比喻来看出：

    使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。

    使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。比喻很形象，说的很通俗易懂，不知道你是否有点收获。

 

 

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函数调用栈：

理解调用栈最重要的两点是：栈的结构，EBP寄存器的作用。

右侧的红色部分，写出了引发栈结构变化的对应的指令
+| (栈底方向，高位地址) |
| ....................|
| ....................| // call somefun(...)-->修改esp，栈向下增长，参数入栈，返回值入栈
| 参数3 |
| 参数2 |
| 参数1 |
| 返回地址|
-| 上一层[EBP] | // push ebp --->修改esp，栈向下增长

| 局部变量1 | // sub esp 局部变量占用空间 -->修改esp，栈向下增长

| 局部变量2 |

|.....................|

补充：栈一直随着函数调用的深入，一直想栈顶方向压下去。每次调用函数时候，先压函数参数（从右往左顺序压），再压入函数调用下条指令的地址（由call完成）。接着进入调用函数体中先执行PUSH EBP; MOV EBP ESP;（一般已经由编译器加入到函数头中了），接着就是吧函数体中的局部变量压入栈中。再遇到函数的调用的嵌套则依此类推。（added by smsong）

“PUSH EBP”“MOV EBP ESP”这两条指令实在大有深意：首先将EBP入栈，然后将栈顶指针ESP赋值给EBP。“MOV EBP ESP”这条指令表面上看是用ESP把EBP原来的值覆盖了，其实不然——因为给EBP赋值之前，原EBP值已被压栈（位于栈顶），而新的EBP又恰恰指向栈顶。
此时EBP寄存器就已处于一个很重要的地位，该寄存器中存储着栈中的一个地址（原EBP入栈后的栈顶），从该地址为基准，向上（栈底方向）能获取返回地址、参数值，向下（栈顶方向）能获取函数局部变量值，而该地址处又存储着上一层函数调用时的EBP值！
一般而言，ss:[ebp+4]处为返回地址，ss:[ebp+8]处为第一个参数值（最后一个入栈的参数值，此处假设其占用4字节内存），ss:[ebp-4]处为第一个局部变量，ss:[ebp]处为上一层EBP值。
由于EBP中的地址处总是“上一层函数调用时的EBP值”，而在每一层函数调用中，都能通过当时的EBP值“向上（栈底方向）能获取返回地址、参数值，向下（栈顶方向）能获取函数局部变量值”。
如此形成递归，直至到达栈底。这就是函数调用栈。
编译器对EBP的使用实在太精妙了。
从当前EBP出发，逐层向上找到任何的EBP是很容易的：
unsigned int _ebp;
__asm _ebp, ebp;
while (not stack bottom)
{
//...
_ebp = *(unsigned int*)_ebp;
}
假如要写一个简单的调试器的话，注意需在被调试进程（而非当前进程——调试器进程）中读取内存数据。

1、  

2、 首先要认识到这样两个事实：
1、一个函数调用动作可分解为：零到多个PUSH指令（用于参数入栈），一个CALL指令。CALL指令内部其实还暗含了一个将返回地址（即CALL指令下一条指令的地址）压栈的动作。
2、几乎任何本地编译器都会在每个函数体之前插入类似如下指令：PUSH EBP; MOV EBP ESP;
即，在程序执行到一个函数的真正函数体时，已有以下数据顺序入栈：参数，返回地址，EBP。
由此得到类似如下的栈结构（参数入栈顺序跟调用方式有关，这里以C语言默认的CDECL为例）：

3、 ////////////////////////////
注意以下几个事实
1） 栈的变化仅当esp的值被改变

4、 2）esp的值得变化仅当
1.1 发生在 push，pop的时候。
1.2 sub esp ，add esp eg: 刚进入一个函数时，为了给局部变量分配栈空间

3) push发生在
1）代码中显式的push，pop
2）call指令会让参数入栈调用push，会让返回值入栈，调用push 

4） ebp的值发生仅在 刚进入一个函数时 push ebp esp