來源：https://segmentfault.com/a/1190000038292644

前言

我們經常會討論這樣的工作問題：什么時候數據存儲在堆棧 (Stack) 中，什么時候數據存儲在堆 (Heap) 中。機制我們知道，語言局部變量是堆棧存儲在堆棧中的；debug 時，查看堆棧可以知道函數的工作調用順序；函數調用時傳遞參數，事實上是把參數壓入堆棧，聽起來，堆棧象一個大雜燴。那么，堆棧 (Stack) 到底是如何工作的呢？本文將詳解 C/C++ 堆棧的工作機制。閱讀時請注意以下幾點：

1）本文討論的編譯環境是 Visual C/C++，由于高級語言的堆棧工作機制大致相同，因此對其他編譯環境或高級語言如 C# 也有意義。

2）本文討論的堆棧，是指程序為每個線程分配的默認堆棧，用以支持程序的運行，而不是指程序員為了實現算法而自己定義的堆棧。

3)? 本文討論的平臺為 intel x86。

4）本文的主要部分將盡量避免涉及到匯編的知識，在本文最后可選章節，給出前面章節的反編譯代碼和注釋。

5）結構化異常處理也是通過堆棧來實現的(當你使用 try…catch 語句時，使用的就是? c++ 對 windows 結構化異常處理的擴展)，但是關于結構化異常處理的主題太復雜了，本文將不會涉及到。

從一些基本的知識和概念開始

1) 程序的堆棧是由處理器直接支持的。在 intel x86 的系統中，堆棧在內存中是從高地址向低地址擴展（這和自定義的堆棧從低地址向高地址擴展不同），如下圖所示：

?因此，棧頂地址是不斷減小的，越后入棧的數據，所處的地址也就越低。

2) 在 32 位系統中，堆棧每個數據單元的大小為 4 字節。小于等于 4 字節的數據，比如字節、字、雙字和布爾型，在堆棧中都是占 4 個字節的；大于 4 字節的數據在堆棧中占4字節整數倍的空間。

3) 和堆棧的操作相關的兩個寄存器是 EBP 寄存器和 ESP 寄存器的，本文中，你只需要把 EBP 和 ESP 理解成 2 個指針就可以了。ESP 寄存器總是指向堆棧的棧頂，執行 PUSH 命令向堆棧壓入數據時，ESP減4，然后把數據拷貝到ESP指向的地址；執行POP 命令時，首先把 ESP 指向的數據拷貝到內存地址/寄存器中，然后 ESP 加 4。EBP 寄存器是用于訪問堆棧中的數據的，它指向堆棧中間的某個位置（具體位置后文會具體講解），函數的參數地址比 EBP 的值高，而函數的局部變量地址比 EBP 的值低，因此參數或局部變量總是通過 EBP 加減一定的偏移地址來訪問的，比如，要訪問函數的第一個參數為 EBP+8。

4) 堆棧中到底存儲了什么數據？包括了：函數的參數，函數的局部變量，寄存器的值（用以恢復寄存器），函數的返回地址以及用于結構化異常處理的數據（當函數中有 try…catch 語句時才有，本文不討論）。這些數據是按照一定的順序組織在一起的， 我們稱之為一個堆棧幀（Stack Frame）。一個堆棧幀對應一次函數的調用。在函數開始時，對應的堆棧幀已經完整地建立了（所有的局部變量在函數幀建立時就已經分配好空間了，而不是隨著函數的執行而不斷創建和銷毀的）；在函數退出時，整個函數幀將被銷毀。

5) 在文中，我們把函數的調用者稱為 caller（調用者），被調用的函數稱為callee（被調用者）。之所以引入這個概念，是因為一個函數幀的建立和清理，有些工作是由 Caller 完成的，有些則是由 Callee 完成的。

開始討論堆棧是如何工作的

我們來討論堆棧的工作機制。堆棧是用來支持函數的調用和執行的，因此，我們下面將通過一組函數調用的例子來講解，看下面的代碼：

int foo1(int m, int n){ int p=m*n;????return?p;}int?foo(int?a,?int?b){ ????int?c=a+1;????????int?d=b+1;????????int?e=foo1(c,d);????????return?e;}int?main(){ ????int?result=foo(3,4);????return?0;}

這段代碼本身并沒有實際的意義，我們只是用它來跟蹤堆棧。下面的章節我們來跟蹤堆棧的建立，堆棧的使用和堆棧的銷毀。

堆棧的建立

我們從main函數執行的第一行代碼，即 int result=foo(3,4); 開始跟蹤。這時 main 以及之前的函數對應的堆棧幀已經存在在堆棧中了，如下圖所示：

圖1

參數入棧?

當 foo 函數被調用，首先，caller（此時caller為main函數）把 foo 函數的兩個參數：a=3,b=4 壓入堆棧。參數入棧的順序是由函數的調用約定 (Calling Convention) 決定的，我們將在后面一個專門的章節來講解調用約定。一般來說，參數都是從右往左入棧的，因此，b=4 先壓入堆棧，a=3 后壓入，如圖：

圖2

返回地址入棧

我們知道，當函數結束時，代碼要返回到上一層函數繼續執行，那么，函數如何知道該返回到哪個函數的什么位置執行呢？函數被調用時，會自動把下一條指令的地址壓入堆棧，函數結束時，從堆棧讀取這個地址，就可以跳轉到該指令執行了。如果當前＂call foo＂指令的地址是 0x00171482 ,由于 call 指令占 5 個字節，那么下一個指令的地址為 0x00171487，0x00171487 將被壓入堆棧:

圖3

代碼跳轉到被調用函數執行

返回地址入棧后，代碼跳轉到被調用函數 foo 中執行。到目前為止，堆棧幀的前一部分，是由 caller 構建的；而在此之后，堆棧幀的其他部分是由 callee 來構建。

EBP指針入棧

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在 foo 函數中，首先將 EBP 寄存器的值壓入堆棧。因為此時 EBP 寄存器的值還是用于 main 函數的，用來訪問 main 函數的參數和局部變量的，因此需要將它暫存在堆棧中，在 foo 函數退出時恢復。同時，給 EBP 賦于新值。

1）將 EBP 壓入堆棧

2）把 ESP 的值賦給 EBP

圖4

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這樣一來，我們很容易發現當前EBP寄存器指向的堆棧地址就是 EBP 先前值的地址，你還會發現發現，EBP+4 的地址就是函數返回值的地址，EBP+8 就是函數的第一個參數的地址（第一個參數地址并不一定是 EBP+8，后文中將講到）。因此，通過 EBP 很容易查找函數是被誰調用的或者訪問函數的參數（或局部變量）。

為局部變量分配地址

接著，foo 函數將為局部變量分配地址。程序并不是將局部變量一個個壓入堆棧的，而是將 ESP 減去某個值，直接為所有的局部變量分配空間，比如在 foo 函數中有 ESP=ESP-0x00E4，（根據燭秋兄在其他編譯環境上的測試，也可能使用 push 命令分配地址，本質上并沒有差別，特此說明）如圖所示：

圖5

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奇怪的是，在 debug 模式下，編譯器為局部變量分配的空間遠遠大于實際所需，而且局部變量之間的地址不是連續的（據我觀察，總是間隔 8 個字節）如下圖所示：

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圖6

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我還不知道編譯器為什么這么設計，或許是為了在堆棧中插入調試數據，不過這無礙我們今天的討論。

通用寄存器入棧

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最后，將函數中使用到的通用寄存器入棧，暫存起來，以便函數結束時恢復。在 foo 函數中用到的通用寄存器是 EBX，ESI，EDI，將它們壓入堆棧，如圖所示：

圖7

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至此，一個完整的堆棧幀建立起來了。

堆棧特性分析

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上一節中，一個完整的堆棧幀已經建立起來，現在函數可以開始正式執行代碼了。本節我們對堆棧的特性進行分析，有助于了解函數與堆棧幀的依賴關系。

1）一個完整的堆棧幀建立起來后，在函數執行的整個生命周期中，它的結構和大小都是保持不變的；不論函數在什么時候被誰調用，它對應的堆棧幀的結構也是一定的。

2）在 A 函數中調用B函數，對應的，是在A函數對應的堆棧幀“下方”建立 B 函數的堆棧幀。例如在 foo 函數中調用 foo1 函數，foo1 函數的堆棧幀將在 foo 函數的堆棧幀下方建立。如下圖所示：

圖8?

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3）函數用 EBP 寄存器來訪問參數和局部變量。我們知道，參數的地址總是比 EBP 的值高，而局部變量的地址總是比 EBP 的值低。而在特定的堆棧幀中，每個參數或局部變量相對于 EBP 的地址偏移總是固定的。因此函數對參數和局部變量的的訪問是通過 EBP 加上某個偏移量來訪問的。比如，在 foo 函數中，EBP+8 為第一個參數的地址，EBP-8 為第一個局部變量的地址。

4）如果仔細思考，我們很容易發現 EBP 寄存器還有一個非常重要的特性，請看下圖中：

圖9

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我們發現，EBP 寄存器總是指向先前的 EBP，而先前的 EBP 又指向先前的先前的 EBP，這樣就在堆棧中形成了一個鏈表！這個特性有什么用呢，我們知道 EBP+4 地址存儲了函數的返回地址，通過該地址我們可以知道當前函數的上一級函數（通過在符號文件中查找距該函數返回地址最近的函數地址，該函數即當前函數的上一級函數），以此類推，我們就可以知道當前線程整個的函數調用順序。事實上，調試器正是這么做的，這也就是為什么調試時我們查看函數調用順序時總是說“查看堆棧”了。

返回值是如何傳遞的

堆棧幀建立起后，函數的代碼真正地開始執行，它會操作堆棧中的參數，操作堆棧中的局部變量，甚至在堆（Heap）上創建對象，balabala….，終于函數完成了它的工作，有些函數需要將結果返回給它的上一層函數，這是怎么做的呢？

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首先，caller 和 callee 在這個問題上要有一個“約定”，由于 caller 是不知道 callee 內部是如何執行的，因此 caller 需要從 callee 的函數聲明就可以知道應該從什么地方取得返回值。同樣的，callee 不能隨便把返回值放在某個寄存器或者內存中而指望Caller 能夠正確地獲得的，它應該根據函數的聲明，按照“約定”把返回值放在正確的”地方“。下面我們來講解這個“約定”：?

1）首先，如果返回值等于 4 字節，函數將把返回值賦予EAX寄存器，通過 EAX 寄存器返回。例如返回值是字節、字、雙字、布爾型、指針等類型，都通過 EAX 寄存器返回。

2）如果返回值等于 8 字節，函數將把返回值賦予 EAX 和 EDX 寄存器，通過 EAX 和 EDX 寄存器返回，EDX 存儲高位 4 字節，EAX存儲低位 4 字節。例如返回值類型為 __int64 或者 8 字節的結構體通過 EAX 和 EDX 返回。

3)? 如果返回值為 double 或 float 型，函數將把返回值賦予浮點寄存器，通過浮點寄存器返回。

4）如果返回值是一個大于 8 字節的數據，將如何傳遞返回值呢？這是一個比較麻煩的問題，我們將詳細講解：

我們修改 foo 函數的定義如下并將它的代碼做適當的修改：

MyStruct foo(`int a, int b)`{ ...}

MyStruct定義為：

struct MyStruct{ int value1;__int64 value2;bool value3;};

?這時，在調用 foo 函數時參數的入棧過程會有所不同，如下圖所示：

圖10

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caller 會在壓入最左邊的參數后，再壓入一個指針，我們姑且叫它ReturnValuePointer，ReturnValuePointer 指向 caller 局部變量區的一塊未命名的地址，這塊地址將用來存儲 callee 的返回值。函數返回時，callee 把返回值拷貝到ReturnValuePointer 指向的地址中，然后把 ReturnValuePointer 的地址賦予 EAX 寄存器。函數返回后，caller 通過 EAX 寄存器找到 ReturnValuePointer，然后通過ReturnValuePointer 找到返回值，最后，caller 把返回值拷貝到負責接收的局部變量上（如果接收返回值的話）。

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你或許會有這樣的疑問，函數返回后，對應的堆棧幀已經被銷毀，而ReturnValuePointer 是在該堆棧幀中，不也應該被銷毀了嗎？對的，堆棧幀是被銷毀了，但是程序不會自動清理其中的值，因此 ReturnValuePointer 中的值還是有效的。

堆棧幀的銷毀

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當函數將返回值賦予某些寄存器或者拷貝到堆棧的某個地方后，函數開始清理堆棧幀，準備退出。堆棧幀的清理順序和堆棧建立的順序剛好相反：（堆棧幀的銷毀過程就不一一畫圖說明了）

??? 1）如果有對象存儲在堆棧幀中，對象的析構函數會被函數調用。

??? 2）從堆棧中彈出先前的通用寄存器的值，恢復通用寄存器。

??? 3）ESP 加上某個值，回收局部變量的地址空間（加上的值和堆棧幀建立時分配給局部變量的地址大小相同）。

??? 4）從堆棧中彈出先前的 EBP 寄存器的值，恢復 EBP 寄存器。

??? 5）從堆棧中彈出函數的返回地址，準備跳轉到函數的返回地址處繼續執行。

??? 6）ESP 加上某個值，回收所有的參數地址。

前面 1-5 條都是由 callee 完成的。而第 6 條，參數地址的回收，是由 caller 或者callee 完成是由函數使用的調用約定（calling convention ）來決定的。下面的小節我們就來講解函數的調用約定。

函數的調用約定（calling convention）

函數的調用約定 (calling convention) 指的是進入函數時，函數的參數是以什么順序壓入堆棧的，函數退出時，又是由誰（Caller還是Callee）來清理堆棧中的參數。有 2 個辦法可以指定函數使用的調用約定：

1）在函數定義時加上修飾符來指定，如

void __thiscall mymethod();{ ...}

2）在 VS 工程設置中為工程中定義的所有的函數指定默認的調用約定：在工程的主菜單打開 Project|Project Property|Configuration Properties|C/C++|Advanced|Calling Convention，選擇調用約定（注意：這種做法對類成員函數無效）。

常用的調用約定有以下3種：

1）__cdecl。這是 VC 編譯器默認的調用約定。其規則是：參數從右向左壓入堆棧，函數退出時由 caller 清理堆棧中的參數。這種調用約定的特點是支持可變數量的參數，比如 printf 方法。由于 callee 不知道caller到底將多少參數壓入堆棧，因此callee 就沒有辦法自己清理堆棧，所以只有函數退出之后，由 caller 清理堆棧，因為 caller 總是知道自己傳入了多少參數。

2）__stdcall。所有的 Windows API 都使用 __stdcall。其規則是：參數從右向左壓入堆棧，函數退出時由 callee 自己清理堆棧中的參數。由于參數是由 callee 自己清理的，所以 __stdcall 不支持可變數量的參數。

3)?__thiscall。類成員函數默認使用的調用約定。其規則是：參數從右向左壓入堆棧，x86 構架下 this 指針通過 ECX 寄存器傳遞，函數退出時由 callee 清理堆棧中的參數，x86構架下this指針通過ECX寄存器傳遞。同樣不支持可變數量的參數。如果顯式地把類成員函數聲明為使用__cdecl或者__stdcall，那么，將采用__cdecl或者__stdcall的規則來壓棧和出棧，而this指針將作為函數的第一個參數最后壓入堆棧，而不是使用ECX寄存器來傳遞了。

反編譯代碼的跟蹤（不熟悉匯編可跳過）

以下代碼為和 foo 函數對應的堆棧幀建立相關的代碼的反編譯代碼，我將逐行給出注釋，可對照前文中對堆棧的描述：

main 函數中 int result=foo(3,4); 的反匯編：

008A147E push 4 //b=4 壓入堆棧008A1480 push 3 //a=3 壓入堆棧,到達圖2的狀態008A1482 call foo (8A10F5h) //函數返回值入棧,轉入foo中執行,到達圖3的狀態008A1487 add esp,8 //foo返回,由于采用__cdecl,由Caller清理參數008A148A mov dword ptr [result],eax //返回值保存在EAX中,把EAX賦予result變量

下面是 foo 函數代碼正式執行前和執行后的反匯編代碼

008A13F0 push ebp //把ebp壓入堆棧008A13F1 mov ebp,esp //ebp指向先前的ebp,到達圖4的狀態008A13F3 sub esp,0E4h //為局部變量分配0E4字節的空間,到達圖5的狀態008A13F9 push ebx //壓入EBX008A13FA push esi //壓入ESI008A13FB push edi //壓入EDI,到達圖7的狀態008A13FC lea edi,[ebp-0E4h] //以下4行把局部變量區初始化為每個字節都等于cch008A1402 mov ecx,39h008A1407 mov eax,0CCCCCCCCh008A140C rep stos dword ptr es:[edi]...... //省略代碼執行N行......008A1436 pop edi //恢復EDI008A1437 pop esi //恢復ESI008A1438 pop ebx //恢復EBX008A1439 add esp,0E4h //回收局部變量地址空間008A143F cmp ebp,esp //以下3行為Runtime Checking,檢查ESP和EBP是否一致008A1441 call @ILT+330(__RTC_CheckEsp) (8A114Fh)008A1446 mov esp,ebp008A1448 pop ebp //恢復EBP008A1449 ret //彈出函數返回地址，跳轉到函數返回地址執行 //(__cdecl調用約定,Callee未清理參數)

參考

Debug Tutorial Part 2: The Stack

Intel匯編語言程序設計(第四版)?第8章

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