深入了解函数调用与栈

有人把程序员比作魔术师，几行简单的代码就能指示电脑作出各种各样不同的操作，作为一个合格的魔术师，只有一步一步掌握魔法的底层运行原理，才能不断创新，创造出更新，效率更高的魔法。在计算机科学中，函数是一个非常重要概念，与此相关的栈，栈如此重要，以至于CPU从底层硬件上实现了它，下面我试着分析一下函数的调用和数据栈，水平有限，如有疏漏和错误欢迎指出。

系统的硬件组成

现代计算机遵守冯·诺依曼体系结构，一般来说由CPU(中央处理器)，主存储器(内存)，I/O总线和各种外设组成，如下：

一个程序能运行，涉及到CPU和内存两个主要设备，而CPU通过寄存器(Register)对内存进行操作(读写)，Intel IA32架构下，主要寄存器如下:

寄存器不仅可以存储数据，还可以通过它进行内存的操作，如:
movl $0x7c00,%eax ;在寄存器中存储16进制的7c00
movl $45,(%eax) ;把45存放到%eax存储中数据所指向的内存中去

内存中的栈

对于现代分时操作系统来说，程序运行时“独占内存”，对于x86架构来说，进程可访问的内存空间如下:

上图中从上往下第四项为进程栈空间，栈以栈帧为单位，为每个进程创建独立的栈帧，寄存器ebp和esp存的值分别指向当前栈帧的栈底和栈顶。
栈帧从高地址到低地址存放:局部变量，调用的其它函数的参数，返回地址，下一个栈帧的栈底。

用汇编语言编写一个add函数:

.global add
    .type add,@function
add:
    push %ebp
    movl %esp,%ebp 
    movl $0,%eax
    addl 8(%ebp),%eax
    addl 12(%ebp),%eax
    pop %ebp
    ret

编译成libadd.so文件:
gcc add.s -fPIC -shared -o libadd.so

用C语言编写文件:

#include <stdio.h>
int main(){
    int a,b;
    printf("Please Input to numbers:");
    scanf("%d %d",&a,&b);
    int c = add(a,b);
    printf("a+b=%d\n",c);
    return 0;
}

编译并连接文件:
gcc main.c -o main -ladd -L.
运行main文件:
[root@vultr ~]# ./main
Please Input to numbers:25 100
a+b=125

add函数运行前后，数据栈的变化如下(大端):

参考资料

1. Randal E. Bryant 深入理解计算机系统
2. 深入理解C语言的函数调用过程