虚拟地址空间和函数调用过程

文章目录

一、虚拟地址空间

​​.text​​：代码段，存放代码，指令

​​.rodata​​：只读数据区，存放常量

​​.data​​：存放初始化且初始化值不为0的数据

​​.bss​​：存放未初始化和初始化为0的数据（包括全局变量，static修饰的变量）

​​.heap​​：堆区

​​.stack​​：栈区（可存放函数形参和局部变量）

变量生存期

把程序运行时一个变量占有内存空间的时间段称为该变量的 生存期
C++把变量的生存期分为： 静态、自动和动态 三种。

静态生存期： 全局变量都具有静态生存期，它们的内存空间程序开始执行时就进行分配，直到程序结束才被收回。

自动生存期： 局部变量和函数形参一般都具有自动生存期，它们的内存空间在程序执行到定义它们的复合语句（包括函数体）时才分配，当定义它们的复合语句执行结束时内存被收回。

动态生存期： 具有动态生存期的变量的生存时间是由程序员自己控制的，其内存空间用new操作符分配，用delete回收。

在定义局部变量时，可以为它们加上存储类修饰符 auto、static 和 register 来指出它们的生存期。

定义为 static 存储类型的局部变量具有静态生存期，它们也被存放在静态数据区。

1. Linux将每个进程的4GB的独立地址空间又划分为用户地址空间(0x00000000~0xBFFFFFFF)和内核地址空间(0xC000000~0xFFFFFFFF)两部分
2. 操作系统内核代码和数据存放在内核地址空间，每个进程自己私有的代码和程序存放在用户地址空间
3. 虽然linux的内核代码和数据被映射到了每个进程的地址空间中（所有进程看到的内容是相同的），但在物理内存中，只有内核代码和数据的一份拷贝
4. 随着进程的切换，当前有效的用户地址空间也在切换
5. CPU有一个CR3寄存器，指向当前运行进程的页表。

虚拟内存管理的作用：

1. 为每个内存提供独立的内存空间
2. 通过后台在物理内存和外存之间的数据换入换出，给进程创造“内存很大”的假象
3. 通过物理内存页与虚拟内存页的一对多映射实现共享内存、共享函数库（动态链接库）、共享操作系统内核空间
4. 利用延迟分配提高内存利用率以及动态内存分配速度
5. 利用缺页中断实现内存保护
6. 利用写时拷贝技术提高进程创建效率
7. 通过“文件—虚拟空间”映射机制提供灵活的文件访问方式

#include<stdio.h>

int g_data1 = 10;         // .data
int g_data2 = 0;          // .bss
int g_data3;              // .bss

static int g_data4 = 11;  // .data
static int g_data5 = 0;   // .bss
static int g_data6;       // .bss

int main() {
    // 生成汇编指令，而不是产生数据
    // 运行到该段代码时，才在函数栈帧上开辟4字节的空间存放数据
    int a = 10;       
    int b = 0;
    int c;

    // 放在数据段，程序启动的时候不会初始化，运行到该代码后再初始化
    // 程序运行起来后，.bss段被清0
    static int e = 10; // .data
    static int f = 0;  // .bss
    static int g;      // .bss
    return 0;
}

每一个进程的用户空间是私有的，内核空间是共享的

二、函数调用过程

1. 参数入参
2. 函数栈帧开辟
3. 返回值返回
4. 栈帧回退
5. 参数清除

形参内存空间不在被调用函数的栈空间，而在调用函数的栈帧

小Tips： 函数的参数都在ebp所指示的内存地址的正偏移处，函数内部的局部变量都在ebp所指示的内存地址的负偏移处。此时ebp指向当前函数栈的栈底。

一、参数入参

int fun(int a, int b) {
  int c = a + b;
  return c;
}

int main() {
  int a = 10;
  int b = 20;
  int c = 0;
  c = fun(a, b);
  return 0;
}

入参过程

1. push数据：栈顶寄存器​​esp​​ 向上移动（低地址方向增长），将push的数据放到栈顶
2. 入栈顺序：参数从右向左
3. 入栈方式：push寄存器到栈顶

理解入栈顺序代码

void fun1(int a, int b) {
  printf("a = %d, b = %d\n", a, b); // a = 1, b = 0
}

int main() {
  int i = 0;
  fun1(i++, i++); // 右边参数i=0入栈，i++，然后左边参数入栈
  printf("i = %d", i); // i = 2
  return 0;
}

8字节数据入栈

#include<stdio.h>

struct Node {
  int d1;
  int d2;
};

int fun(struct Node a, struct Node b) {
  return 0;
}

int main() {
  struct Node node1 = { 10, 20 };
  struct Node node2 = { 30, 40 };
  int c = fun(node1, node2);
  return 0;
}

struct Data
{
  int d1;
  int d2;
};

int fun(struct Data a, struct Data b)
{
  int c = 0;
  //c = a + b;
  return c;
}

int main()
{
  int c = 0;
  struct Data a = { 20,30 };
  struct Data b = { 40,50 };
  c = fun(a, b);
}

主函数：

子函数：

12字节数据入栈

#include<stdio.h>

struct Node {
  int d1;
  int d2;
  int d3;
};

int fun(struct Node a, struct Node b) {
  return 0;
}

int main() {
  struct Node node1 = { 10, 20, 30 };
  struct Node node2 = { 40, 50, 60 };
  int c = fun(node1, node2);
  return 0;
}

1. 没有用push寄存器的方法，直接将栈顶指针向上偏移，然后将参数的值拷入
2. 入参顺序：从右向左，结构体参数入栈时，从低地址数据到高地址数据入栈

二、函数栈帧开辟

返回4字节

#include<stdio.h>

int fun(int a, int b) {
  return 0;
}

int main() {
  int a = 10;
  int b = 20;
  int c = fun(a, b);
  return 0;
}

返回8字节

#include<stdio.h>

struct Node {
  int d1;
  int d2;
};

struct Node fun(int a, int b) {
  struct Node ret = { a, b };
  return ret;
}

int main() {
  int a = 10;
  int b = 20;
  struct Node node = fun(a, b);
  return 0;
}

返回12字节

struct Node {
  int d1;
  int d2;
  int d3;
};

struct Node fun(int a, int b) {
  struct Node d = { 10, 20, 30 };
  return d;
}

int main() {
  int a = 10;
  int b = 20;
  int c = 30;
  struct Node node = fun(a, b);
  return 0;
}

参数入参

参数a、b先入栈，然后入栈一个存放返回值的临时空间，入栈调用函数下一行的地址，保存​​ebp​​​到调用函数栈帧之上，并且开辟栈帧（​​call指令​​）

返回值

读取入参时候入栈的参数，放在调用函数的栈空间

用​​eax​​​指向调用函数栈空间内用于接收返回值的地址（也即上面的​​[ebp-108h]​​​），此时的​​ebp​​​则指向被调用函数的栈空间，用​​eax​​​和 ​​ebp​​把返回值写入调用函数的栈空间。

返回值

栈帧回退

1. pop恢复寄存器
2. ​​esp=ebp​​​，​​pop ebp​​ 两步退出被调用方的栈帧
3. ret：将原来入栈的调用方下一条指令的地址出栈并恢复

参数清除

int func_B(int arg_B1, int arg_B2){
    int var_B1, var_B2;
    return 0;
}

int func_A(int arg_A1, int arg_A2){
    int var_A1, var_A2;
    func_B(4, 3);
    return 0;
}

void main(){
    int var_main;
    func_A(2, 1);
}