过程调用的机器级表示

一、运行时栈

可执行文件的存储映像

在 32 位机器中，指针 %esp 指向栈顶，在 64 位机器中，指针 %rsp 指向栈顶。x86-64 的栈向低地址方向存储。也就是说，如果给这个栈分配空间，那么栈顶指针的值减小。

当 x86-64 过程中，需要的存储空间超过寄存器能够存放的大小时，就会在栈上分配空间，这个部分成为过程的栈帧（stack fram)。大多数过程的栈帧都是定长的。

为了提高空间和时间的效率，x86-64 值分配自己所需要的栈帧部分。例如，许多过程有六个或更少的参数，那么所有的参数都可通过寄存器来传递。

下图中的某些栈帧部分其实时可以省略的。当所有的局部变量都可以用寄存器保存，而且该函数不会调用其他函数，这个函数甚至根本不需要栈帧。

通用的栈帧结构

二、过程调用的执行步骤（P为调用函数，Q为被调用函数）

（1）P：P将入口参数（实参）放在 Q 能访问到的地方

（2）P：执行 call 指令，P 保存放回地址，并将控制权转移给Q

（3）Q：保存 P 的现场，并为自己的非静态局部变量分配空间

（4）Q：执行 Q 的过程体（函数体）

（5）Q：恢复 P 的现场，释放局部变量空间

（6）Q：执行 ret 指令，取出返回值，将控制权转移给 P 

将控制从函数 P 转移给 Q 值需要简单地把程序计数器（PC）设置为 Q 的代码的起始位置，反之亦然。

三、数据传递

 在过程调用中，除了要把控制传递给他，并在过程返回时再传递回来之外，过程调用还可能包含把数据作为参数进行传递，返回时还可能放回一个值。大部分数据传递都可以通过寄存器实现。在 x86-64 中，可以通过寄存器最多传递 6 个整数（例如正数和指针）参数，其他的参数在P栈帧中进行分配，分配的地址在 Q 中可以直接进行引用,但是在 32 位时还不可以用寄存器进行参数的存储，例如 IA-32.

下面演示在 IA-32 下，数据在栈帧中的分配。

IA-32 寄存器使用约定

调用者（P）保存寄存器：EAX、EDX、ECX（优先使用）

当过程 P 调用过程 Q 时，Q 可以直接使用这三个寄存器，不用讲它们保存在栈中，如果 P 在返回后还要使用这三个寄存器的话，P 在转到 Q 前先将之保存，并在从 Q 返回后先恢复他们的值。

被调用者保存寄存器：EBX、ESI、EDI

Q 必须先将它们的值保存在栈中再使用他们，并再返回P之前恢复他们的值。

EBP、ESP 

分别是帧指针寄存器和栈指针寄存器，分别用来指向当前栈帧的底部和顶部。

过程调用过程中栈和栈帧的变化（P为调用过程，Q为被调用过程）

例如下面的一个例子：

int add(int x, int y){
    return x + y;
}
int caller(){
    int t1 = 125;
    int t2 = 80;
    int sum = add(t1, t2);
    return sum;
}

看看再函数caller中的指令：

1. 准备阶段

pushl  %ebp        把现场的指（ESP）压栈（形成栈底），过程调用的第一条指令总是 push 指令
movl  %esp,%ebp    形成栈顶
subl  $24,%esp     生成栈帧，该栈帧大小为24（如果需要的话）：sub 指令或 mov 指令
这里没有            保存现场（如果有被调用着保存寄存器）：mov 指令

2. 过程（函数）体

movl  $125, -12(%ebp)   分配局部变量空间并赋值
movl  $80, -8(%ebp)
                         具体处理逻辑，如果遇到函数调用时：
movl  -8(%ebp), %eax     准备参数 ：将实参送到栈帧入口参数处
movl  %eax, 4(%esp)
movl  -12(%ebp), %eax
movl  %eax, (%esp)
call  add                 call 指令：保存放回地址并转被调用函数（返回参数总是在 eax 中）

其中，在call 指令中，首先会分配栈帧空间（就像上面的 准备阶段一样）

pushl  %ebp

movl   %esp, %ebp

基本调用函数时，都是这两条指令先执行

参数压栈时，最右边的先压栈，最后是左边的，即先压 y ，再压 x

3. 结束阶段

movl  %eax, -4(%ebp)     准备返回参数
movl  %-4(%ebp), %eax
leave                    退栈
ret                      取得返回地址

在 add 中调用参数时，

125（x）的位置为 8(%ebp) ，80(y)的位置为 12(%ebp)。