引言
組合語言是計算機硬體操作的最直接表達方式，透過彙編程式碼可以深入理解計算機底層的工作機制。本文將以一個簡單的C語言程式碼為例，深入分析其對應的彙編程式碼中的堆疊變化，探討計算機在執行過程中如何透過堆疊來進行函式呼叫、引數傳遞和結果返回。
- C語言程式碼與彙編程式碼概述
我們從如下簡單的C語言程式碼開始：
int g(int x) {
return x + 2024;
}
int f(int x) {
return g(x);
}
int main(void) {
return f(2024) + 1;
}
上述程式碼透過函式g、f、main進行一系列呼叫。其彙編程式碼如下：
g:
.LFB0:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
call __x86.get_pc_thunk.ax
addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
movl 8(%ebp), %eax
addl $2024, %eax
popl %ebp
ret
f:
.LFB1:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
call __x86.get_pc_thunk.ax
addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
pushl 8(%ebp)
call g
addl $4, %esp
leave
ret
main:
.LFB2:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
call __x86.get_pc_thunk.ax
addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
pushl $2024
call f
addl $4, %esp
addl $1, %eax
leave
ret
__x86.get_pc_thunk.ax:
.LFB3:
movl (%esp), %eax
ret
- 堆疊在函式呼叫中的變化分析
2.1 函式 main 的堆疊變化
main 函式是程式的入口點。彙編程式碼如下：
main:
.LFB2:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
call __x86.get_pc_thunk.ax
addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
pushl $2024
call f
addl $4, %esp
addl $1, %eax
leave
ret
pushl %ebp：將當前ebp壓入堆疊，儲存上一層的基址指標，以便稍後恢復。
堆疊內容：[舊ebp]
movl %esp, %ebp：將當前的棧頂指標esp賦值給ebp，建立新的棧幀。
堆疊內容：[舊ebp]，此時ebp和esp指向同一位置。
pushl $2024：將常數2024壓入堆疊，作為傳遞給f函式的引數。
堆疊內容：[舊ebp] [2024]
call f：呼叫f函式，程式跳轉至f函式的入口地址。此時返回地址被壓入堆疊，以便在f函式執行完後能夠返回到main函式的下一條指令。
堆疊內容：[舊ebp] [2024] [返回地址]
2.2 函式 f 的堆疊變化
函式f的彙編程式碼如下：
f:
.LFB1:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
call __x86.get_pc_thunk.ax
addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
pushl 8(%ebp)
call g
addl $4, %esp
leave
ret
pushl %ebp：儲存上一層的基址指標。
堆疊內容：[舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp]
movl %esp, %ebp：建立新的棧幀。
堆疊內容：[舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp]，ebp和esp指向最後一箇舊ebp。
pushl 8(%ebp)：將main函式中傳遞給f的引數（即2024）壓入堆疊，作為傳遞給g函式的引數。
堆疊內容：[舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp] [2024]
call g：呼叫g函式，返回地址被壓入堆疊。
堆疊內容：[舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp] [2024] [返回地址]
2.3 函式 g 的堆疊變化
函式g的彙編程式碼如下：
g:
.LFB0:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
call __x86.get_pc_thunk.ax
addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
movl 8(%ebp), %eax
addl $2024, %eax
popl %ebp
ret
pushl %ebp：儲存上一層的基址指標。
堆疊內容：[舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp]
movl %esp, %ebp：建立新的棧幀。
堆疊內容：[舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp] [2024] [返回地址] [舊ebp]
movl 8(%ebp), %eax：從棧中取出2024並放入eax暫存器。
addl $2024, %eax：將2024加到eax暫存器中，結果為2024 + 2024 = 4048。
popl %ebp：恢復上一層的基址指標。
ret：從棧中彈出返回地址，並跳轉回到f函式中繼續執行。
3.總結：計算機是如何工作的
透過對彙編程式碼的深入分析，我們可以看到，堆疊在函式呼叫過程中起到了關鍵的作用。每當發生函式呼叫時，堆疊會儲存當前函式的執行狀態（如基址指標ebp和返回地址），併為被呼叫函式分配空間。函式呼叫結束後，透過恢復堆疊中的資料，程式能夠準確地回到上一次的執行狀態。
堆疊不僅用於函式呼叫和返回，它還用於引數傳遞和區域性變數的儲存。計算機的工作可以被理解為：透過指令和堆疊的相互作用來管理程式的執行流程，確保不同函式之間的資訊能夠無縫地傳遞和恢復。
總結來說，計算機的工作原理是透過CPU執行一條條指令，同時透過暫存器和堆疊維護程式的狀態。堆疊在這一過程中扮演了“資訊中轉站”的角色，確保程式能夠正確且有序地執行各個函式及其關聯操作。