JAVA进栈特点进栈过程

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架构魔法师 2023-06-29 17:53:37

文章标签 JAVA进栈特点出栈局部变量入栈 文章分类 Java 后端开发

debug

前面我们只是讲解了一个函数的活动记录是什么样子的，相信大家对函数的详细调用过程的认识还不是太清晰，这节我们就以 VS2010 Debug 模式为例来深入分析一下。

请看下面的代码：

void func(int a, int b){
    int p =12, q = 345;
}
int main(){
    func(90, 26);
    return 0;
}

函数使用默认的调用惯例 cdecl，即参数从右到左入栈，由调用方负责将参数出栈。函数的进栈出栈过程如下图所示：

JAVA进栈特点进栈过程_入栈

函数进栈分析

步骤①到⑥是函数进栈过程：

main() 是主函数，也需要进栈，如步骤①所示。
在步骤②中，执行语句func(90, 26);，先将实参 90、26 压入栈中，再将返回地址压入栈中，这些工作都由 main() 函数（调用方）完成。这个时候 ebp 的值并没有变，仅仅是改变 esp 的指向。
到了步骤③，就开始执行 func() 的函数体了。首先将原来 ebp 寄存器的值压入栈中（也即图中的 old ebp），并将 esp 的值赋给 ebp，这样 ebp 就从 main() 函数的栈底指向了 func() 函数的栈底，完成了函数栈的切换。由于此时 esp 和ebp 的值相等，所以它们也就指向了同一个位置。
为局部变量、返回值等预留足够的内存，如步骤④所示。由于栈内存在函数调用之前就已经分配好了，所以这里并不是真的分配内存，而是将 esp 的值减去一个整数，例如 esp - 0XC0，就是预留 0XC0 字节的内存。
将 ebp、esi、edi 寄存器的值依次压入栈中。
将局部变量的值放入预留好的内存中。注意，第一个变量和 old ebp 之间有4个字节的空白，变量之间也有若干字节的空白。

为什么要留出这么多的空白

为什么要留出这么多的空白，岂不是浪费内存吗？这是因为我们使用Debug模式生成程序，留出多余的内存，方便加入调试信息；以Release模式生成程序时，内存将会变得更加紧凑，空白也被消除。

至此，func() 函数的活动记录就构造完成了。可以发现，在函数的实际调用过程中，形参是不存在的，不会占用内存空间，内存中只有实参，而且是在执行函数体代码之前、由调用方压入栈中的。

未初始化的局部变量的值为什么是垃圾值

为局部变量分配内存时，仅仅是将 esp 的值减去一个整数，预留出足够的空白内存，不同的编译器在不同的模式下会对这片空白内存进行不同的处理，可能会初始化为一个固定的值，也可能不进行初始化。

例如在VS2010 Debug模式下，会将预留出来的内存初始化为 0XCCCCCCCC，如果不对局部变量赋值，它们的内存就不会改变，输出时的结果就是 0XCCCCCCCC，请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
    int m, n;
    printf("%#X, %#X\n", m, n);
    system("pause");
    return 0;
}

运行结果：

0XCCCCCCCC, 0XCCCCCCCC

虽然编译器对空白内存进行了初始化，但这个值对我们来说一般没有意义，所以我们可以认为它是垃圾值、是随机的。

函数出栈分析

步骤⑦到⑨是函数 func() 出栈过程：
7) 函数 func() 执行完成后开始出栈，首先将 edi、esi、ebx 寄存器的值出栈。

将局部变量、返回值等数据出栈时，直接将 ebp 的值赋给 esp，这样 ebp 和 esp 就指向了同一个位置。
接下来将 old ebp 出栈，并赋值给现在的 ebp，此时 ebp 就指向了 func() 调用之前的位置，即 main() 活动记录的 old ebp 位置，如步骤⑨所示。

这一步很关键，保证了还原到函数调用之前的情况，这也是每次调用函数时都必须将 old ebp 压入栈中的原因。

最后根据返回地址找到下一条指令的位置，并将返回地址和实参都出栈，此时 esp 就指向了 main() 活动记录的栈顶，这意味着 func() 完全出栈了，栈被还原到了 func() 被调用之前的情况。

遗留的错误认知

经过上面的分析可以发现，函数出栈只是在增加 esp 寄存器的值，使它指向上一个数据，并没有销毁之前的数据。前面我们讲局部变量在函数运行结束后立即被销毁其实是错误的，这只是为了让大家更容易理解，对局部变量的作用范围有一个清晰的认识。

栈上的数据只有在后续函数继续入栈时才能被覆盖掉，这就意味着，只要时机合适，在函数外部依然能够取得局部变量的值。请看下面的代码：

#include <stdio.h>
int *p;
void func(int m, int n){
    int a = 18, b = 100;
    p = &a;
}
int main(){
    int n;
    func(10, 20);
    n = *p;
    printf("n = %d\n", n);
    return 0;
}

运行结果：