栈和栈帧

不念不忘少年蓝@ 2023-10-05 20:34 77阅读 0赞

**堆栈**(stack)又称为**栈**或**堆叠**，是计算机科学里**最重要且最基础的数据结构之一**，它按照**FILO**（First In Last Out，**后进先出**）的原则存储数据。

栈的相关概念：

1.  **栈顶**和**栈底**：允许元素插入与删除的一端称为`栈顶`，另一端称为`栈底`。
2.  **压栈**：栈的插入操作，叫做进栈，也称压栈、入栈。
3.  **弹栈**：栈的删除操作，也叫做出栈。

下面是栈的示意图，从图中可以清楚的看到，不管是**插入数据**还是**删除数据**，都是在**栈顶**进行的，还有就是FILO原则，可以看到，如果你想取出B的值，那么你必须先要将B的上面的C取出，要取出C的值，就得取出C上面的值，以此类推。

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从技术上说，**栈**就是CPU寄存器里的**某个指针所指向的一片内存区域**。这里所说的“某个指针”通常位于x86/x64平台的`ESP寄存器`/`RSP寄存器`，以及ARM平台的`SP寄存器`。

操作栈的最常见的指令时`PUSH`（压栈）和`POP`（弹栈）。`PUSH`指令会对`ESP`/`RSP`/`SP`**寄存器的值**进行减法运算，使之**减去4（32位）或8（64位）**，然后将操作数**写到**上述寄存器里的指针所指向的**内存中**。

`POP`指令是`PUSH`指令的逆操作：它先从栈指针指向的内存中**读取数据**，用以备用（通常是写到其他寄存器里），然后再将**栈指针的数值加上4或8**.

下图演示了x86平台下的`push`指令和`pop`指令，指令`push Z`，首先`ESP的值-4`，然后将Z的值写入新的ESP所指的内存中，指令`pop eax`，先将Z的值存入EAX寄存器，然后进行`ESP+4`。指令`POP EBX`，首先将栈顶元素存入EBX，然后`ESP+4`。

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下面通过一个例子说明，首先是`push eax`，此时`eax`的值为`0x115fcc0`，`ESP`的值为`0x115fc68`，栈顶的值为`0x75936359`

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当`push eax`执行完之后结果如下图，此时`ESP`的值为`0x115fc64`（为`原来ESP的值-4`，注意多数栈是**逆增长**的，也就是向低地址增长），栈顶的值为`0x115fcc0`（EAX的值）

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当`pop ebx`的指令执行完时，此时`ebx`的值为`0x115fcc0`（从栈顶弹出来的），ESP的值为`0x115fc68`（`上一步ESP的值+4`），此时之前的数据`0x115fcc0`依然在内存中（地址为`0x115fc64`的地方），只不过这个值不再是栈的一部分了，因为ESP指向的是栈顶。

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#### 栈在进程中的作用如下： ####

1.  暂时保存函数内的局部变量。
2.  调用函数时传递参数。
3.  保存函数返回的地址。

#### 栈帧 ####

**栈帧**也叫过程活动记录，是编译器用来实现过程/函数调用的一种数据结构。简言之，**栈帧**就是利用`EBP`（栈帧指针，**请注意不是ESP**）寄存器访问局部变量、参数、函数返回地址等的手段。

;栈帧结构
    PUSH EBP            ;函数开始（使用EBP前先把已有值保存到栈中）
    MOV EBP, ESP        ;保存当前ESP到EBP中
    
    ...                 ;函数体
                        ;无论ESP值如何变化，EBP都保持不变，可以安全访问函数的局部变量、参数
    
    MOV ESP, EBP        ;将函数的起始地址返回到ESP中
    POP EBP             ;函数返回前弹出保存在栈中的值
    RETN                ;函数终止

每一次函数的调用，都会在`调用栈`（call stack）上维护一个独立的`栈帧`（stack frame）。每个独立的栈帧一般包括：

*  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以及编译器自动生成的其他临时变量
 *  函数调用的上下文

栈是从高地址向低地址延伸，一个函数的栈帧用EBP和ESP这两个寄存器来划定范围。`EBP`指向当前栈帧的底部，`ESP`**始终指向**栈帧的顶部。

EBP寄存器又被称为`帧指针`（Frame Pointer）

ESP寄存器又被称为`栈指针`（Stack Pointer）

一个很常见的活动记录示例如图所示

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