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Andrew Kachalin
Asked:2020-02-18 00:16:12 +0000 UTC2020-02-18 00:16:12 +0000 UTC

函数堆栈在 C++ 中实际上是如何工作的？

  • 772

亲爱的同事们！我想了解堆栈的工作原理，使用三个变量的函数示例。

 void f2() 
 {
        int B = 5;
        int *pB = &B; // задание адреса в указатель
        int &sB = B; //задание объекта в ссылку
        cout << "addres of  B = " << &B << "\n";
        cout << "value of  B = " << B << "\n";
        cout << "addres of  pB = " << &pB << "\n";
        cout << "value of  pB = " << pB << "\n";
        cout << "addres of  sB = " << &sB << "\n";
        cout << "value of  sB = " << sB << "\n";            
    }

    int main()
    {
        f2();
        system("PAUSE");
        return 0;
    }

输出：

addres of  B = 0038F644
value of  B = 5
addres of  pB = 0038F638
value of  pB = 0038F644
addres of  sB = 0038F644
value of  sB = 5

1.一线三线的误解。在地址空间上，我认为新变量的地址应该大于旧变量的地址。在实践中：

 `0038F638 - 0038F644 = -C;`

这是向后移动 12 个位置。尽管其中一位经验丰富的程序员表示，移位将向前移动 4 个位置 - 按维度int，以字节表示。

2.地址sB——一般与地址重合B！而价值sB——与价值重合B！对我来说很明显，放入的值sB应该等于地址B。并且地址sB必须sizeof(int)相对于前一个变量的地址向前移动四个位置 ( )。

问题：

如何解释观察到的行为？相对于前一个变量，下一个变量的地址分配（实际上）如何？是否有可能以比我所做的更智能的方式打印堆栈？（我想将堆栈视为三个条目 -类型 - 值 - 地址）。

c++

2 个回答

  1. Best Answer

    在地址空间上，我认为新变量的地址应该大于旧变量的地址。

    在大多数“传统”平台中，堆栈从上到下增长：从高地址到低地址。因此，即使编译器“按顺序”分配您的变量，如果“较新”变量的地址小于“较旧”变量的地址也不足为奇。

    但实际上，各个变量的放置是没有顺序的，你比较地址是没有意义的。

    在传统的实现中，一个函数的所有局部变量的内存是在函数开头的一个“堆栈帧”中一次性分配的。在这个堆栈框架内，编译器会在编译阶段制定一些局部变量位置的固定映射。同时，它可以（并且将会）以完全任意的方式在这个映射中安排局部变量，以对齐、内存节省等优化考虑为指导。等等 因此，您的变量声明顺序根本没有任何意义，两个“相邻”变量的地址之间的差异可以是任何大小和符号。

    地址 sB - 通常与地址 B 重合！

    “地址sB”是什么？sB- 关联。引用类型不是对象类型，概念上它不占用内存，也没有地址。C++ 语言中没有而且也不可能有“地址 sB”。声明后，int &sB = B;表达式&sB将准确给出地址B，这就是您正在观察的内容。Baddress 与 address相同这一点并不奇怪B。

    相对于前一个变量，下一个变量的地址分配（实际上）如何？

    没有特别的。正如编译器在这种特殊情况下所希望的那样，就这样吧。这些决定是由编译器根据在语言级别不可见的逻辑做出的。

    C++ 语言中的某些顺序仅存在（可能存在）在同一数组的元素之间或同一类的字段之间。

    是否有可能以比我所做的更智能的方式打印堆栈？（我想将堆栈视为三个条目 - 类型 - 值 - 地址）。

    在语言层面，当然不是。

    然后您可以研究编译器生成的调试信息的格式，以及您的实现提供（如果提供）用于访问此调试信息的 API。一切都会在那里。

    • 23

  2. 我们将稍微看一下编译器是如何分配变量的。我将利用原始帖子没有说明作者使用哪个编译器这一事实，因此，正如数学家所说，在不失一般性的情况下，我们可以假设编译器是 gcc。

    让我们将原始帖子中的代码保存到一个文件prnlocal.cpp中，并添加到其中

    #include <iostream>

using namespace std;

    并注释掉

    /* system("PAUSE"); */

    许多人认为 Intel 汇编代码比 AT&T 汇编代码更容易阅读，因此我们将使用以下命令生成汇编代码

    g++ -masm=intel -S prnlocal.cpp

    让我们获取一个文件prnlocal.s，我们在其中找到标签_Z2f2v- 这就是 C++ 对函数 f2 的名称进行编码的方式，该函数具有参数(void).

             ....
_Z2f2v:
.LFB971:
        .cfi_startproc
        ......
        mov     DWORD PTR [rbp-28], 5 ; вот это - наша инициализация B=5
        lea     rax, [rbp-28]
        mov     QWORD PTR [rbp-40], rax ; вот это - инициализация pB = &B
        ....

    让我们更详细地处理这里写的内容。在我们的架构中，堆栈是使用两个专用寄存器实现的：rbp 和 rsp。rbp 指向栈底，rsp 指向栈顶。

    我们的栈从大地址增长到小地址，也就是在正常情况下rbp > rsp。

    第一个有趣的运算符：

        mov     DWORD PTR [rbp-28], 5

    在[rbp-28 ... rbp-25]位于address的4个字节中，需要写入数字5。这样一来，数字5将落入位于address的字节中rbp-28，其余三个字节将被初始化为0。

    下一个命令

        lea     rax, [rbp-28]

    将地址加载[rbp-28]到寄存器rax中。

    第三条语句将从寄存器中加载值rax到八个字节 [rbp-40...rbp-33]。

        mov     QWORD PTR [rbp-40], rax

    有趣的是，我们的程序不使用地址 [rbp-32...rbp-29] 处的字节。这是将 64 位变量放置在 8 的倍数的地址上的结果——所谓的数据对齐在 8 的倍数的地址上。

    结果我们得到了这样一个栈

            +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
rbp-40  44 F6 38 00 00 00 00 00
rbp-32  ZZ ZZ ZZ ZZ 05 00 00 00  
rbp-24
rpb-16
rbp-08

    这里，rbp-40变量的值放在地址处，变量的值放在pB地址处 。rbp-28B

    您还可以了解在汇编代码之间rbp-24和rbp从汇编代码中放置的内容，但这是一个单独的故事。

    • 9

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