计算机是怎样工作的函数调用堆栈机制

简介：解释单任务计算机(不考虑中断)的函数调用堆栈机制，并在此基础上讨论分析多任务计算机是怎样工作的

实验过程：

从c源代码到运行可执行程序一般要经过以下几个阶段：

预处理->编译->汇编->链接

源程序：example.c 

int g(int x){
    return x+3;
}

int f(int x){
    return g(x);
}

int main(void){
    return f(8)+1;
}

 1.预处理：将c源文件预处理生成example.cpp文件

 2.编译：将预处理好的example.cpp文件编译生成example.s汇编代码 

3.汇编：将汇编代码example.s文件编译为目标文件example.o

4.链接：将目标文件example.o与所需的所有附加的目标文件连接起来，生成可执行文件example(本实验未包含静态和动态链接库这样的附加的目标文件)

 实验分析：

查看example.s文件，分析main()函数的执行过程：

  伪代码：

g:
.LFB0:    
    pushl    %ebp    
    movl    %esp, %ebp    
    movl    8(%ebp), %eax
    addl    $3, %eax
    popl    %ebp    
    ret

f:
.LFB1:    
    pushl    %ebp    
    movl    %esp, %ebp
    subl    $4, %esp
    movl    8(%ebp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    g
    leave    
    ret


main:
.LFB2:    
    pushl    %ebp    
    movl    %esp, %ebp    
    subl    $4, %esp
    movl    $8, (%esp)
    call    f
    addl    $1, %eax
    leave    
    ret
    

在main函数段的部分，首先构造堆栈框架

 pushl    %ebp    
 movl    %esp, %ebp 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　堆栈变化

---

 接着将要调用的函数参数压栈

subl    $4, %esp
movl    $8, (%esp)

　　　　　　　　堆栈变化

---

 然后调用函数f()

	call	f

 

　　　　　　　　堆栈的变化    

　

        　　　　　　　　 　　　　　　　　程序代码段的变化

---

f()函数段部分，类似的构建堆栈

pushl    %ebp     
movl    %esp, %ebp
subl    $4, %esp

        　　　　　　　　　　　　堆栈变化

---

 接着，将参数8存入寄存器eax，并将该值存入esp所指向的内存单元

movl    8(%ebp), %eax
movl    %eax, (%esp)

　　　　　　堆栈变化

---

然后调用g（）函数

	call	g

     

　　　　　　　　　　　　堆栈变化　　　　　　　　　　　　　　　　　　 程序代码段变化

---

函数g()部分，类似的构造堆栈，将参数8存储到eax，执行加3运算后在存入eax作为函数的返回值，最后将ebp出栈，返回到f()

pushl    %ebp    
movl    %esp, %ebp    
movl    8(%ebp), %eax
addl    $3, %eax
popl %ebp 
ret

堆栈变化：　　    构造堆栈　　　　　　　　　　　　　　　　  ebp出栈　　　　　　　　　　　　　　    执行ret 弹出地址

  

　　　　程序代码段变化

---

返回到f()段后，执行将栈返回并返回main()函数

leave    
ret

    　　　　　　　　

堆栈变化： 执行leave后　　　　　　　　　　　　执行ret后　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　程序代码段变化

---

 回到main()函数段后，执行将eax中的值11执行加1运算后存入eax作为main()函数的返回值，接着将栈返回并退出

　　　　　　堆栈返回

实验总结：

  对于单任务计算机，通过eip找到程序代码段顺序执行每一条指令，当遇到控制语句(如跳转指令jmp)以及过程调用(如本实验中的call g)时会改变eip的值，使eip跳转到不同的位置继续顺序的执行程序代码段的每一条指令。不同的函数具有不同的栈空间，当执行有关堆栈操作的指令时(如本实验中的push等)，相应函数的堆栈会发生相应的变化。

  对于多任务计算机，通常利用时间片轮转的机制，系统的调度进程转依次调度执行就绪队列中进程。每个进程都有自己独立的进程空间，所以在进程切换时，会首先进行进程上下文切换，接着就如同单任务计算机一样执行当前的进程