从汇编层看64位程序运行——栈帧(Stack Frame)边界

在《从汇编层看64位程序运行——栈帧(Stack Frame)入门》中，我们简单介绍了栈帧的概念，以及它和函数调用之间的关系。如文中所述，栈帧是一种虚拟的概念，它表达了一个执行中的函数的栈空间区域。在这个区域中，该函数的局部非静态变量便被置于这个空间中，即我们常常说起的栈上变量。

那么这个区间是通过什么划分的？

RBP，RSP

这就需要引入寄存器这个概念。

寄存器（Register）是中央处理器内用来暂存指令、数据和地址的存储器。 寄存器的存贮容量有限，读写速度非常快。 在计算机体系结构里，寄存器存储在已知时间点所作计算的中间结果，通过快速地访问数据来加速计算机程序的执行。

CPU有非常多的寄存器，本节我们主要讲解与栈帧相关的两个寄存器：

• 栈底指针寄存器（Stack Base pointer register）： 在16位系统中，有个寄存器叫bp;在32位系统中，这个寄存器叫ebp;在64位系统中，这个寄存器叫rbp。
• 栈顶指针寄存器（Stack pointer register）： 在16位系统中，有个寄存器叫sp;在32位系统中，这个寄存器叫esp;在64位系统中，这个寄存器叫rsp。

需要注意的是，栈底指针寄存器（rbp）保存的并不是当前栈帧的栈底地址，而是保存了栈上变量分配的起始地址。
如下图，0x7fffffffdf20到0x7fffffffdf10是main函数栈帧的部分，它保存了函数调用需要用到的一些信息（我们在《从汇编层看64位程序运行——函数的调用和栈平衡》将会介绍）。从0x7fffffffdf10开始的内存，保存的是main函数局部非静态变量的值。

栈顶指针寄存器（rsp）不仅可以被直接设置，还会随着栈上Push和Pop的操作而改变。这个特性和rbp有很大不同，rbp只能直接被设置，栈上Push和Pop操作并不会直接导致rbp的值发生变动。
如果函数有局部非静态变量，则在函数开始时，编译器会计算好这个函数需要的局部变量空间，然后通过调整rsp的值（值变小，即栈增长），来声明当前函数的栈上变量空间。
比如下面代码的反汇编，在汇编代码的+8行，通过sub $0x10,%rsp，让当前函数的栈扩展了0x10个字节。

int main() {
    int b = 16;
    b = b + 16;
    foo();
    return 0;
}

栈帧边界

有了上述的铺垫，我们通过info stack和info frame来查看到程序运行到foo函数时的栈帧

可以看到一个函数的栈帧起始地址是上一个栈帧的rsp，栈帧结束地址该函数进入下一栈帧前的rsp。

需要注意的是“该函数进入下一栈帧前的rsp”并不一定等于局部变量空间的最后一个地址！
因为在局部变量空间之后，调用者函数可能还需要将一些参数Push到栈中，从而传递给调用者。这个时候rsp会继续扩张。于是栈帧的结束地址也在扩张。关于这块知识我们可以在《从汇编层看64位程序运行——参数传递的底层实现》中看到。
正因为存在需要使用栈来给不同函数传递参数的情况，让一个函数的栈帧的结束地址是持续变化的。比如一个函数调用的A，需要栈上传递1个参数；这个函数调用的B，需要栈上传递2个参数。那么相较于进入A函数，进入B函数时调用者函数的栈帧就要更大些（大1个参数空间）。
如下图main函数的栈帧在它调用不同函数时，其栈帧的结束地址是持续变化的。

总结

• 栈帧运行时虚拟的结构。
• 函数的栈帧起始地址是调用者调用本函数时RSP的值。
• 函数的栈帧的结束地址分为两种情况：
  • 有调用其他函数时。结束地址是调用其他函数时RSP的值。
  • 没有调用其他函数时。结束地址是栈上最后一个变量的结束地址。
• 栈帧的结束地址可能会随着其调用其他函数而不停改变。

参考资料

• https://www.eecg.utoronto.ca/~amza/www.mindsec.com/files/x86regs.html