1.1　一个简单C程序的运行时结构

解决编程过程中的实际问题，需要透彻了解程序在内存中的运行时结构，而透彻的程度自然成为衡量计算机语言学习水平的重要标准，也成为衡量软件项目开发水平的重要标准。

C程序运行的核心是函数的执行和调用，它构成了整个C程序运行时结构的基础框架。这一运行过程主要是在程序指令的驱动以及数据压栈、清栈的支持下实现的。为了介绍这一过程，我们设计了一个简单C程序，如下所示：

int fun(int a,int b);
int m=10;
int main()
{
    inti=4;
    int j=5;
    m = fun(i,j);
    return 0;
}
int fun(int a,int b)
{
    int c=0;
    c=a+b;
    return c;
}

程序很简单，却凸现了函数调用和执行的最基本情况。我们把此情景展现在内存中，共有三个区域，分别是代码区、静态数据区和动态数据区。情景如图1-1所示。

代码区装载了这个程序所对应的机器指令，main函数和fun函数的机器指令装载位置如图1-2所示。

全局变量m的数值装载在静态数据区中，情景如图1-3所示。

程序开始执行前，动态数据区中没有数据，情景如图1-4所示。

这是因为，只有程序开始执行后，在指令的驱动下，这一区域才会产生数据，压栈和清栈的工作就是在这一区域完成的，情景如图1-5所示。

程序执行的本质就是代码区的指令不断执行，驱使动态数据区和静态数据区产生数据变化。这一过程需要计算机的管控。下面我们着重介绍对代码区和动态数据区的管控。CPU中有三个寄存器，分别是eip、ebp和esp，情景如图1-6所示。

其中eip永远指向代码区将要执行的下一条指令，它的管控方式有两种，一种是“顺序执行”，即程序执行完一条指令后自动指向下一条执行；另一种是跳转，也就是执行完一条跳转指令后跳转到指定的位置。

ebp和esp用来管控栈空间，ebp指向栈底，esp指向栈顶，在代码区中，函数调用、返回和执行伴随着不断压栈和清栈，栈中数据存储和释放的原则是后进先出。

内存的划分及程序执行的总体情况先介绍到这里。下面详细介绍案例程序的运行时结构。初始情景是这样的，eip指向main函数的第一条指令，此时程序还没有运行，栈空间里还没有数据，ebp和esp指向的位置是程序加载时内核设置的（详情请看《Linux内核设计的艺术》一书），情景如图1-7所示。

程序开始执行main函数第一条指令，eip自动指向下一条指令。第一条指令的执行，致使ebp的地址值被保存在栈中，保存的目的是本程序执行完毕后，ebp还能返回现在的位置，复原现在的栈。随着ebp地址值的压栈，esp自动向栈顶方向移动，它将永远指向栈顶，情景如图1-8所示。

程序继续执行，开始构建main函数自己的栈，ebp原来指向的地址值已经被保存了，它被腾出来了，用来看管main函数的栈底，此时它和esp是重叠的，情景如图1-9所示。

程序继续执行，eip指向下一条指令，此次执行的是局部变量i的初始化，初始值4被存储在栈中，esp自动向栈顶方向移动，情景如图1-10所示。

继续执行下一条指令，局部变量j的初始值5也被压栈，情景如图1-11所示。

这两个局部数据都是供main函数自己用的，接下来调用fun函数时压栈的数据虽然也保存在main函数的栈中，但它们都是供fun函数用的。可以说fun函数的数据，一半在fun函数中，一半在主调函数中，下面来看函数调用时留在main函数中的那一半数据。

先执行传参的指令，此时参数入栈的顺序和代码中传参的书写顺序正好相反，参数b先入栈，数值是main函数中局部变量j的数值5，情景如图1-12所示。

程序继续执行，参数a被压入栈中，数值是局部变量i的数值4，情景如图1-13所示。

程序继续执行，此次压入的是fun函数返回值，将来fun函数返回之后，这里的值会传递给m，情景如图1-14所示。

还剩最后一步，跳转到fun函数去执行，这一步分为两部分动作，一部分是把fun函数执行后的返回地址压入栈中，以便fun函数执行完毕后能返回到main函数中继续执行，情景如图1-15所示。

到这里，函数调用的数据准备工作就完成了。另一部分就是跳转到被调用的函数的第一条指令去执行，情景如图1-16所示。

fun函数开始执行，第一件事就是保存ebp指向的地址值，此时ebp指向的是main函数的栈底，保存的目的是在返回时恢复main函数栈底的位置，这和前面main函数刚开始执行时第一步就保存ebp的地址值的目的是一样的，情景如图1-17所示。

再往后就要构建fun函数的栈了。程序继续执行，仍然使用腾出来的ebp看管栈底，ebp和esp此时指向相同的位置，情景如图1-18所示。

程序继续执行，局部变量c开始初始化，入栈，数值为0，这个c就是fun函数的数据，存在于fun函数的栈中，情景如图1-19所示。

此时回顾fun函数的数据，可以发现一半在main函数中，情景如图1-20所示。

另一半在fun函数中，情景如图1-21所示。

接下来会执行几个运算指令，展现对这些数据的应用。以ebp为基点，很容易找到main函数栈和fun函数栈中数据的位置，情景如图1-22所示。

程序继续执行，fun函数中局部变量c的数据当成返回值返回，情景如图1-23所示。

现在fun函数已经执行完毕，要恢复main函数调用fun函数的现场，这一现场包括两个部分，一部分是main函数的栈要恢复，包括栈顶和栈底，另一部分是要找到fun函数执行后的返回地址，然后再跳转到那里继续执行。

我们来看ebp的恢复。前面存储了ebp的地址值，现在可以把存储的地址值赋值给ebp，使之指向main函数的栈底，情景如图1-24所示。

ebp地址值出栈后，esp自动退栈，指向fun函数执行后的返回地址，之后执行ret指令，即返回指令，把地址值传给eip，使之指向fun函数执行后的返回地址，情景如图1-25所示。

恢复现场以后，把fun函数返回值传递给m，情景如图1-26所示。

该处理fun函数调用时的传参和返回值设置了，这两者已经没有存在的必要了，全部清栈，情景如图1-27所示。

剩下就是main函数的内容了，main函数执行完毕以后，栈也全部清掉。清栈的方式与fun函数执行完后采用的清栈方式一致，情景如图1-28所示。

操作系统已经为整个程序执行完的善后工作做了准备，详情请看《Linux内核设计的艺术》一书。