栈和栈帧的基本理解

栈和栈帧的基本理解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Cpingan1/article/details/141632760

栈（Stack）是一种遵循“后进先出”（LIFO，Last In, First Out）原则的数据结构，在函数调用、表达式求值、内存管理等场景中有着广泛的应用。栈帧（Stack Frame）则是栈中的一个基本单位，用于存储函数调用的上下文信息。本文将详细介绍栈和栈帧的概念、工作原理以及它们在程序执行中的具体应用。

栈（Stack）

栈是一种线性数据结构，只允许在一端进行操作，这一端称为“栈顶”（Top）。主要的操作包括：

• 压栈（Push）：将一个元素放入栈顶。
• 弹栈（Pop）：从栈顶移除一个元素。
• 查看栈顶元素（Peek）：检查栈顶的元素但不移除它。

栈的应用：

• 函数调用管理：当一个函数被调用时，它的执行信息被保存到栈中，这样在函数返回时，可以继续执行之前的代码。
• 递归处理：递归函数每次调用自身时都会在栈上创建一个新的栈帧，从而保存每次调用的状态。

栈帧（Stack Frame）

栈帧是栈中的一个片段，每次函数调用时，都会在栈中创建一个新的栈帧。栈帧用来存储函数执行所需的局部变量、参数、返回地址以及其他状态信息。一个栈帧通常包含以下部分：

1. 返回地址：指示函数返回时，程序应该继续执行的位置。
2. 函数参数：传递给函数的参数值。
3. 局部变量：函数内部定义的变量。
4. 保存的寄存器值：在调用函数之前保存的寄存器状态，以便函数返回时恢复。
5. 栈指针和基指针：ESP（栈指针，Stack Pointer）和 EBP（基指针，Base Pointer）分别指向栈的顶部和当前栈帧的底部，用来管理栈帧。

栈帧的工作原理

当程序调用一个函数时，系统会执行以下步骤：

1. 保存返回地址：调用者的程序计数器（Program Counter，PC）保存到当前栈帧中，以便函数结束后能够返回到调用者的位置。
2. 为函数创建新的栈帧：系统会在栈顶为被调用的函数分配一个新的栈帧。
3. 保存寄存器状态：调用者的寄存器状态保存到新栈帧中。
4. 传递参数和保存局部变量：函数参数传递到新的栈帧，并在其中分配局部变量的空间。
5. 执行函数：函数执行其代码，当遇到 return 或到达函数末尾时，函数返回。
6. 恢复状态：从栈中弹出当前栈帧，恢复调用者的寄存器状态和返回地址，程序继续执行。

例子说明

void foo(int a, int b) {
    int c = a + b;
}
int main() {
    foo(5, 10);
    return 0;
}

执行 foo(5, 10) 时，栈和栈帧的变化如下：

1. 调用 foo：

• 在栈顶创建新的栈帧。
• 保存 main 函数的返回地址。
• 将参数 5 和 10 压入栈帧。
• 将 foo 函数的返回地址压入栈帧。

2. 执行 foo：

• 在栈帧中为局部变量 c 分配空间。
• 执行 c = a + b;。
• 完成后，准备返回。

3. 返回到 main：

• 弹出 foo 的栈帧。
• 恢复 main 的状态，程序继续执行。