我们如何访问堆栈变量而不弹出它们？

2024-02-11

据我所知，C 中有两种变量，栈变量和堆变量。堆栈变量速度很快，并由编译器和 CPU 自动管理。我关于堆栈变量的问题是：

堆栈变量真的存储在堆栈 FILO 数据结构中吗？
如果是这样，为什么我们可以使用它们而不弹出它们并丢失它们的值？
为什么要用栈来存储它们呢？出队或列表有什么问题？

作为程序员，您不必担心将变量压入或弹出堆栈；生成的机器代码会为您处理所有这些事情。每次调用函数时，程序都会将项目推送到硬件堆栈上。其中一些项目是您传递给函数的数据，但大多数是当前程序状态（寄存器值、返回地址等），以便当函数返回时程序可以在正确的位置继续执行。

一个例子可能会有所帮助。采用以下简单的 C 程序：

#include <stdio.h>

int afunc( int a, int b )
{
  int c = a * b;
  return c;
}

int main( void )
{
  int x;
  int y;
  int z;

  x = 2;
  y = 3;

  z = afunc( x, y );
  printf( "z = %d\n", z );

  return 0;
}

在老化的 Red Hat 机器上使用 gcc 2.96 编译它，如下所示：

gcc -o demo -g -std=c99 -pedantic -Wall -Werror -Wa,-aldh=demo.lst demo.c

给我以下输出列表：

   1                            .file   "demo.c"
   2                            .version        "01.01"
   5                    .text
   6                    .Ltext0:
 165                            .align 4
 169                    .globl afunc
 171                    afunc:
   1:demo.c        **** #include <stdio.h>
   2:demo.c        ****
   3:demo.c        **** int afunc( int a, int b )
   4:demo.c        **** {
 173                    .LM1:
 174                    .LBB2:
 175 0000 55                    pushl   %ebp
 176 0001 89E5                  movl    %esp, %ebp
 177 0003 83EC04                subl    $4, %esp
   5:demo.c        ****   int c = a * b;
 179                    .LM2:
 180 0006 8B4508                movl    8(%ebp), %eax
 181 0009 0FAF450C              imull   12(%ebp), %eax
 182 000d 8945FC                movl    %eax, -4(%ebp)
   6:demo.c        ****   return c;
 184                    .LM3:
 185 0010 8B45FC                movl    -4(%ebp), %eax
 186 0013 89C0                  movl    %eax, %eax
   7:demo.c        **** }
 188                    .LM4:
 189                    .LBE2:
 190 0015 C9                    leave
 191 0016 C3                    ret
 192                    .Lfe1:
 197                    .Lscope0:
 199                                    .section        .rodata
 200                    .LC0:
 201 0000 7A203D20              .string "z = %d\n"
 201      25640A00
 202                    .text
 203 0017 90                    .align 4
 205                    .globl main
 207                    main:
   8:demo.c        ****
   9:demo.c        **** int main( void )
  10:demo.c        **** {
 209                    .LM5:
 210                    .LBB3:
 211 0018 55                    pushl   %ebp
 212 0019 89E5                  movl    %esp, %ebp
 213 001b 83EC18                subl    $24, %esp
  11:demo.c        ****   int x;
  12:demo.c        ****   int y;
  13:demo.c        ****   int z;
  14:demo.c        ****
  15:demo.c        ****   x = 2;
 215                    .LM6:
 216 001e C745FC02              movl    $2, -4(%ebp)
 216      000000
  16:demo.c        ****   y = 3;
 218                    .LM7:
 219 0025 C745F803              movl    $3, -8(%ebp)
 219      000000
  17:demo.c        ****
  18:demo.c        ****   z = afunc( x, y );
 221                    .LM8:
 222 002c 83EC08                subl    $8, %esp
 223 002f FF75F8                pushl   -8(%ebp)
 224 0032 FF75FC                pushl   -4(%ebp)
 225 0035 E8FCFFFF              call    afunc
 225      FF
 226 003a 83C410                addl    $16, %esp
 227 003d 89C0                  movl    %eax, %eax
 228 003f 8945F4                movl    %eax, -12(%ebp)
  19:demo.c        ****   printf( "z = %d\n", z );
 230                    .LM9:
 231 0042 83EC08                subl    $8, %esp
 232 0045 FF75F4                pushl   -12(%ebp)
 233 0048 68000000              pushl   $.LC0
 233      00
 234 004d E8FCFFFF              call    printf
 234      FF
 235 0052 83C410                addl    $16, %esp
  20:demo.c        ****
  21:demo.c        ****   return 0;
 237                    .LM10:
 238 0055 B8000000              movl    $0, %eax
 238      00
  22:demo.c        **** }
 240                    .LM11:
 241                    .LBE3:
 242 005a C9                    leave
 243 005b C3                    ret
 244                    .Lfe2:
 251                    .Lscope1:
 253                            .text
 255                    .Letext:
 256                            .ident  "GCC: (GNU) 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.2 2.96-112.7.2)"

所以，从main，我们有以下几行：

 211 0018 55                    pushl   %ebp
 212 0019 89E5                  movl    %esp, %ebp
 213 001b 83EC18                subl    $24, %esp

%esp points to the top of the stack; %ebp points into the stack frame, between the local variables and function arguments. These lines save the current value of %ebp by pushing it onto the stack, then write the location of the current top of the stack to %ebp, and then advance %esp by 24 bytes (the stack grows "down", or towards decreasing addresses, on x86). Stepping through the execution of this program in a debugger on my system, we see the stack is set up as follows¹:

Address        0x00  0x01  0x02  0x03    
-------        ----  ----  ----  ----
0xbfffd9d8     0xbf  0xff  0xda  0x18  <-- %ebp, 0xbfffda18 is the previous value
0xbfffd9d4     0x08  0x04  0x96  0x40  <-- x
0xbfffd9d0     0x08  0x04  0x95  0x40  <-- y
0xbfffd9cc     0x08  0x04  0x84  0x41  <-- z
0xbfffd9c8     0xbf  0xff  0xd9  0xe8
0xbfffd9c4     0xbf  0xff  0xda  0x44
0xbfffd9c0     0x40  0x01  0x5e  0x2c  <-- %esp

然后我们就有了线条

216 001e C745FC02              movl    $2, -4(%ebp)

and

219 0025 C745F803              movl    $3, -8(%ebp)

将 2 和 3 分配给x and y，分别。请注意，这些位置被称为offsets from %ebp。所以现在我们的堆栈看起来像这样：

Address        0x00  0x01  0x02  0x03    
-------        ----  ----  ----  ----
0xbfffd9d8     0xbf  0xff  0xda  0x18  <-- %ebp
0xbfffd9d4     0x00  0x00  0x00  0x02  <-- x
0xbfffd9d0     0x00  0x00  0x00  0x03  <-- y
0xbfffd9cc     0x08  0x04  0x84  0x41  <-- z
0xbfffd9c8     0xbf  0xff  0xd9  0xe8
0xbfffd9c4     0xbf  0xff  0xda  0x44
0xbfffd9c0     0x40  0x01  0x5e  0x2c <-- %esp

现在我们打电话afunc。为此，我们首先需要推动论点x and y在调用堆栈上：

 222 002c 83EC08                subl    $8, %esp
 223 002f FF75F8                pushl   -8(%ebp)
 224 0032 FF75FC                pushl   -4(%ebp)

所以现在我们的堆栈看起来像

Address        0x00  0x01  0x02  0x03    
-------        ----  ----  ----  ----
0xbfffd9d8     0xbf  0xff  0xda  0x18  <-- %ebp
0xbfffd9d4     0x00  0x00  0x00  0x02  <-- x
0xbfffd9d0     0x00  0x00  0x00  0x03  <-- y
0xbfffd9cc     0x08  0x04  0x84  0x41  <-- z
0xbfffd9c8     0xbf  0xff  0xd9  0xe8
0xbfffd9c4     0xbf  0xff  0xda  0x44
0xbfffd9c0     0x40  0x01  0x5e  0x2c
0xbfffd9bc     0x40  0x14  0xd7  0xf0
0xbfffd9b8     0x40  0x14  0xe8  0x38
0xbfffd9b4     0x00  0x00  0x00  0x03 <-- b
0xbfffd9b0     0x00  0x00  0x00  0x02 <-- a, %esp

现在我们打电话afunc。我们要做的第一件事是保存当前值%ebp，然后再次调整我们的寄存器：

 175 0000 55                    pushl   %ebp
 176 0001 89E5                  movl    %esp, %ebp
 177 0003 83EC04                subl    $4, %esp

留给我们

Address        0x00  0x01  0x02  0x03    
-------        ----  ----  ----  ----
0xbfffd9d8     0xbf  0xff  0xda  0x18  
0xbfffd9d4     0x00  0x00  0x00  0x02  <-- x
0xbfffd9d0     0x00  0x00  0x00  0x03  <-- y
0xbfffd9cc     0x08  0x04  0x84  0x41  <-- z
0xbfffd9c8     0xbf  0xff  0xd9  0xe8
0xbfffd9c4     0xbf  0xff  0xda  0x44
0xbfffd9c0     0x40  0x01  0x5e  0x2c 
0xbfffd9bc     0x40  0x14  0xd7  0xf0
0xbfffd9b8     0x40  0x14  0xe8  0x38
0xbfffd9b4     0x00  0x00  0x00  0x03 <-- b
0xbfffd9b0     0x00  0x00  0x00  0x02 <-- a
0xbfffd9ac     0x08  0x04  0x84  0x9a 
0xbfffd9a8     0xbf  0xff  0xd9  0xd8 <-- %ebp
0xbfffd9a4     0x40  0x14  0xd7  0xf0 <-- c, %esp

现在我们执行计算afunc:

 180 0006 8B4508                movl    8(%ebp), %eax
 181 0009 0FAF450C              imull   12(%ebp), %eax
 182 000d 8945FC                movl    %eax, -4(%ebp)

注意相对于的偏移量%ebp：这次它们是正数（函数参数存储在“下面”%ebp，局部变量存储在它的“上方”）。然后结果存储在c:

Address        0x00  0x01  0x02  0x03    
-------        ----  ----  ----  ----
0xbfffd9d8     0xbf  0xff  0xda  0x18  
0xbfffd9d4     0x00  0x00  0x00  0x02  <-- x
0xbfffd9d0     0x00  0x00  0x00  0x03  <-- y
0xbfffd9cc     0x08  0x04  0x84  0x41  <-- z
0xbfffd9c8     0xbf  0xff  0xd9  0xe8
0xbfffd9c4     0xbf  0xff  0xda  0x44
0xbfffd9c0     0x40  0x01  0x5e  0x2c 
0xbfffd9bc     0x40  0x14  0xd7  0xf0
0xbfffd9b8     0x40  0x14  0xe8  0x38
0xbfffd9b4     0x00  0x00  0x00  0x03 <-- b
0xbfffd9b0     0x00  0x00  0x00  0x02 <-- a
0xbfffd9ac     0x08  0x04  0x84  0x9a 
0xbfffd9a8     0xbf  0xff  0xd9  0xd8 <-- %ebp
0xbfffd9a4     0x00  0x00  0x00  0x06 <-- c, %esp

函数返回值保存在寄存器中%eax。现在我们从函数返回：

 185 0010 8B45FC                movl    -4(%ebp), %eax
 186 0013 89C0                  movl    %eax, %eax

 190 0015 C9                    leave
 191 0016 C3                    ret

当我们从函数返回时，我们将堆栈中的所有内容弹出回原来的位置%esp在我们进入之前就指着afunc（那里有一些魔力，但要认识到%ebp指向一个包含旧值的地址%ebp):

Address        0x00  0x01  0x02  0x03    
-------        ----  ----  ----  ----
0xbfffd9d8     0xbf  0xff  0xda  0x18  <-- %ebp
0xbfffd9d4     0x00  0x00  0x00  0x02  <-- x
0xbfffd9d0     0x00  0x00  0x00  0x03  <-- y
0xbfffd9cc     0x08  0x04  0x84  0x41  <-- z
0xbfffd9c8     0xbf  0xff  0xd9  0xe8
0xbfffd9c4     0xbf  0xff  0xda  0x44
0xbfffd9c0     0x40  0x01  0x5e  0x2c  <-- %esp

现在我们将结果保存到z:

 228 003f 8945F4                movl    %eax, -12(%ebp)

留给我们：

Address        0x00  0x01  0x02  0x03    
-------        ----  ----  ----  ----
0xbfffd9d8     0xbf  0xff  0xda  0x18  <-- %ebp
0xbfffd9d4     0x00  0x00  0x00  0x02  <-- x
0xbfffd9d0     0x00  0x00  0x00  0x03  <-- y
0xbfffd9cc     0x00  0x00  0x00  0x06  <-- z
0xbfffd9c8     0xbf  0xff  0xd9  0xe8
0xbfffd9c4     0xbf  0xff  0xda  0x44
0xbfffd9c0     0x40  0x01  0x5e  0x2c  <-- %esp

请注意，这是特定硬件/软件组合和特定编译器上的情况；编译器之间的细节会有所不同（最新版本的 gcc 使用寄存器将函数参数传递到任何可以的地方，而不是将它们推入堆栈），但一般概念是相同的。只是不要假设这是the做事的方式。

^{1. The values stored between 0xbfffd9c4 and 0xbfffd9c8 are (most likely) not related to our code; they're just the bit patterns that were left after those memory locations were used in another operation. I think the compiler assumes a minimum amount of space for setting up the local frame.}

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