我們經常會讨論這樣的問題：什麼時候資料存儲在堆棧(Stack)中，什麼時候資料存儲在堆(Heap)中。我們知道，局部變量是存儲在堆棧中的；debug時，檢視堆棧可以知道函數的調用順序；函數調用時傳遞參數，事實上是把參數壓入堆棧，聽起來，堆棧象一個大雜燴。那麼，堆棧(Stack)到底是如何工作的呢？ 本文将詳解C/C++堆棧的工作機制。閱讀時請注意以下幾點：
1）本文讨論的編譯環境是 Visual C/C++，由于進階語言的堆棧工作機制大緻相同，是以對其他編譯環境或進階語言如C#也有意義。
2）本文讨論的堆棧，是指程式為每個線程配置設定的預設堆棧，用以支援程式的運作，而不是指程式員為了實作算法而自己定義的堆棧。
3) 本文讨論的平台為intel x86。
4）本文的主要部分将盡量避免涉及到彙編的知識，在本文最後可選章節，給出前面章節的反編譯代碼和注釋。
5）結構化異常處理也是通過堆棧來實作的(當你使用try…catch語句時，使用的就是c++對windows結構化異常處理的擴充)，但是關于結構化異常處理的主題太複雜了，本文将不會涉及到。
從一些基本的知識和概念開始
1) 程式的堆棧是由處理器直接支援的。在intel x86的系統中，堆棧在記憶體中是從高位址向低位址擴充（這和自定義的堆棧從低位址向高位址擴充不同），如下圖所示：
是以，棧頂位址是不斷減小的，越後入棧的資料，所處的位址也就越低。
2) 在32位系統中，堆棧每個資料單元的大小為4位元組。小于等于4位元組的資料，比如位元組、字、雙字和布爾型，在堆棧中都是占4個位元組的；大于4位元組的資料在堆棧中占4位元組整數倍的空間。
3) 和堆棧的操作相關的兩個寄存器是EBP寄存器和ESP寄存器的，本文中，你隻需要把EBP和ESP了解成2個指針就可以了。ESP寄存器總是指向堆棧的棧頂，執行PUSH指令向堆棧壓入資料時，ESP減4，然後把資料拷貝到ESP指向的位址；執行POP指令時，首先把ESP指向的資料拷貝到記憶體位址/寄存器中，然後ESP加4。EBP寄存器是用于通路堆棧中的資料的，它指向堆棧中間的某個位置（具體位置後文會具體講解），函數的參數位址比EBP的值高，而函數的局部變量位址比EBP的值低，是以參數或局部變量總是通過EBP加減一定的偏移位址來通路的，比如，要通路函數的第一個參數為EBP+8。
4) 堆棧中到底存儲了什麼資料？ 包括了：函數的參數，函數的局部變量，寄存器的值（用以恢複寄存器），函數的傳回位址以及用于結構化異常處理的資料（當函數中有try…catch語句時才有，本文不讨論）。這些資料是按照一定的順序組織在一起的，我們稱之為一個堆棧幀（Stack Frame）。一個堆棧幀對應一次函數的調用。在函數開始時，對應的堆棧幀已經完整地建立了（所有的局部變量在函數幀建立時就已經配置設定好空間了，而不是随着函數的執行而不斷建立和銷毀的）；在函數退出時，整個函數幀将被銷毀。
5) 在文中，我們把函數的調用者稱為caller（調用者），被調用的函數稱為callee（被調用者）。之是以引入這個概念，是因為一個函數幀的建立和清理，有些工作是由Caller完成的，有些則是由Callee完成的。
開始讨論堆棧是如何工作的
我們來讨論堆棧的工作機制。堆棧是用來支援函數的調用和執行的，是以，我們下面将通過一組函數調用的例子來講解，看下面的代碼：
int foo1(int m, int n)
{
int p=m*n;
return p;
}
int foo(int a, int b)
{
int c=a+1;
int d=b+1;
int e=foo1(c,d);
return e;
}
int main()
{
int result=foo(3,4);
return 0;
}
這段代碼本身并沒有實際的意義，我們隻是用它來跟蹤堆棧。下面的章節我們來跟蹤堆棧的建立，堆棧的使用和堆棧的銷毀。
堆棧的建立
我們從main函數執行的第一行代碼，即int result=foo(3,4); 開始跟蹤。這時main以及之前的函數對應的堆棧幀已經存在在堆棧中了，如下圖所示：
圖1
參數入棧
當foo函數被調用，首先，caller（此時caller為main函數）把foo函數的兩個參數：a=3,b=4壓入堆棧。參數入棧的順序是由函數的調用約定(Calling Convention)決定的，我們将在後面一個專門的章節來講解調用約定。一般來說，參數都是從右往左入棧的，是以，b=4先壓入堆棧，a=3後壓入，如圖：
圖2
傳回位址入棧
我們知道，當函數結束時，代碼要傳回到上一層函數繼續執行，那麼，函數如何知道該傳回到哪個函數的什麼位置執行呢？函數被調用時，會自動把下一條指令的位址壓入堆棧，函數結束時，從堆棧讀取這個位址，就可以跳轉到該指令執行了。如果目前＂call foo＂指令的位址是0x00171482,由于call指令占5個位元組，那麼下一個指令的位址為0x00171487，0x00171487将被壓入堆棧:
圖3
代碼跳轉到被調用函數執行
傳回位址入棧後，代碼跳轉到被調用函數foo中執行。到目前為止，堆棧幀的前一部分，是由caller建構的；而在此之後，堆棧幀的其他部分是由callee來建構。
EBP指針入棧
在foo函數中，首先将EBP寄存器的值壓入堆棧。因為此時EBP寄存器的值還是用于main函數的，用來通路main函數的參數和局部變量的，是以需要将它暫存在堆棧中，在foo函數退出時恢複。同時，給EBP賦于新值。
1）将EBP壓入堆棧
2）把ESP的值賦給EBP
圖4
這樣一來，我們很容易發現目前EBP寄存器指向的堆棧位址就是EBP先前值的位址，你還會發現發現，EBP+4的位址就是函數傳回值的位址，EBP+8就是函數的第一個參數的位址（第一個參數位址并不一定是EBP+8，後文中将講到）。是以，通過EBP很容易查找函數是被誰調用的或者通路函數的參數（或局部變量）。
為局部變量配置設定位址
接着，foo函數将為局部變量配置設定位址。程式并不是将局部變量一個個壓入堆棧的，而是将ESP減去某個值，直接為所有的局部變量配置設定空間，比如在foo函數中有ESP=ESP-0x00E4，（根據燭秋兄在其他編譯環境上的測試，也可能使用push指令配置設定位址，本質上并沒有差别，特此說明）如圖所示：
圖5
奇怪的是，在debug模式下，編譯器為局部變量配置設定的空間遠遠大于實際所需，而且局部變量之間的位址不是連續的（據我觀察，總是間隔8個位元組）如下圖所示：
圖6
我還不知道編譯器為什麼這麼設計，或許是為了在堆棧中插入調試資料，不過這無礙我們今天的讨論。
通用寄存器入棧
最後，将函數中使用到的通用寄存器入棧，暫存起來，以便函數結束時恢複。在foo函數中用到的通用寄存器是EBX，ESI，EDI，将它們壓入堆棧，如圖所示：
圖7
至此，一個完整的堆棧幀建立起來了。
堆棧特性分析
上一節中，一個完整的堆棧幀已經建立起來，現在函數可以開始正式執行代碼了。本節我們對堆棧的特性進行分析，有助于了解函數與堆棧幀的依賴關系。
1）一個完整的堆棧幀建立起來後，在函數執行的整個生命周期中，它的結構和大小都是保持不變的；不論函數在什麼時候被誰調用，它對應的堆棧幀的結構也是一定的。
2）在A函數中調用B函數，對應的，是在A函數對應的堆棧幀“下方”建立B函數的堆棧幀。例如在foo函數中調用foo1函數，foo1函數的堆棧幀将在foo函數的堆棧幀下方建立。如下圖所示：
圖8
3）函數用EBP寄存器來通路參數和局部變量。我們知道，參數的位址總是比EBP的值高，而局部變量的位址總是比EBP的值低。而在特定的堆棧幀中，每個參數或局部變量相對于EBP的位址偏移總是固定的。是以函數對參數和局部變量的的通路是通過EBP加上某個偏移量來通路的。比如，在foo函數中，EBP+8為第一個參數的位址，EBP-8為第一個局部變量的位址。
4）如果仔細思考，我們很容易發現EBP寄存器還有一個非常重要的特性，請看下圖中：
圖9
我們發現，EBP寄存器總是指向先前的EBP，而先前的EBP又指向先前的先前的EBP，這樣就在堆棧中形成了一個連結清單！這個特性有什麼用呢，我們知道EBP+4位址存儲了函數的傳回位址，通過該位址我們可以知道目前函數的上一級函數（通過在符号檔案中查找距該函數傳回位址最近的函數位址，該函數即目前函數的上一級函數），以此類推，我們就可以知道目前線程整個的函數調用順序。事實上，調試器正是這麼做的，這也就是為什麼調試時我們檢視函數調用順序時總是說“檢視堆棧”了。
傳回值是如何傳遞的
堆棧幀建立起後，函數的代碼真正地開始執行，它會操作堆棧中的參數，操作堆棧中的局部變量，甚至在堆（Heap）上建立對象，balabala….，終于函數完成了它的工作，有些函數需要将結果傳回給它的上一層函數，這是怎麼做的呢？
首先，caller和callee在這個問題上要有一個“約定”，由于caller是不知道callee内部是如何執行的，是以caller需要從callee的函數聲明就可以知道應該從什麼地方取得傳回值。同樣的，callee不能随便把傳回值放在某個寄存器或者記憶體中而指望Caller能夠正确地獲得的，它應該根據函數的聲明，按照“約定”把傳回值放在正确的”地方“。下面我們來講解這個“約定”：
1）首先，如果傳回值等于4位元組，函數将把傳回值賦予EAX寄存器，通過EAX寄存器傳回。例如傳回值是位元組、字、雙字、布爾型、指針等類型，都通過EAX寄存器傳回。
2）如果傳回值等于8位元組，函數将把傳回值賦予EAX和EDX寄存器，通過EAX和EDX寄存器傳回，EDX存儲高位4位元組，EAX存儲低位4位元組。例如傳回值類型為__int64或者8位元組的結構體通過EAX和EDX傳回。
3) 如果傳回值為double或float型，函數将把傳回值賦予浮點寄存器，通過浮點寄存器傳回。
4）如果傳回值是一個大于8位元組的資料，将如何傳遞傳回值呢？這是一個比較麻煩的問題，我們将詳細講解：
我們修改foo函數的定義如下并将它的代碼做适當的修改：
MyStruct foo(int a, int b)
{
...
}
MyStruct定義為：
struct MyStruct
{
int value1;
__int64 value2;
bool value3;
};
這時，在調用foo函數時參數的入棧過程會有所不同，如下圖所示：
圖10
caller會在壓入最左邊的參數後，再壓入一個指針，我們姑且叫它ReturnValuePointer，ReturnValuePointer指向caller局部變量區的一塊未命名的位址，這塊位址将用來存儲callee的傳回值。函數傳回時，callee把傳回值拷貝到ReturnValuePointer指向的位址中，然後把ReturnValuePointer的位址賦予EAX寄存器。函數傳回後，caller通過EAX寄存器找到ReturnValuePointer，然後通過ReturnValuePointer找到傳回值，最後，caller把傳回值拷貝到負責接收的局部變量上（如果接收傳回值的話）。
你或許會有這樣的疑問，函數傳回後，對應的堆棧幀已經被銷毀，而ReturnValuePointer是在該堆棧幀中，不也應該被銷毀了嗎？對的，堆棧幀是被銷毀了，但是程式不會自動清理其中的值，是以ReturnValuePointer中的值還是有效的。
堆棧幀的銷毀
當函數将傳回值賦予某些寄存器或者拷貝到堆棧的某個地方後，函數開始清理堆棧幀，準備退出。堆棧幀的清理順序和堆棧建立的順序剛好相反：（堆棧幀的銷毀過程就不一一畫圖說明了）
1）如果有對象存儲在堆棧幀中，對象的析構函數會被函數調用。
2）從堆棧中彈出先前的通用寄存器的值，恢複通用寄存器。
3）ESP加上某個值，回收局部變量的位址空間（加上的值和堆棧幀建立時配置設定給局部變量的位址大小相同）。
4）從堆棧中彈出先前的EBP寄存器的值，恢複EBP寄存器。
5）從堆棧中彈出函數的傳回位址，準備跳轉到函數的傳回位址處繼續執行。
6）ESP加上某個值，回收所有的參數位址。
前面1-5條都是由callee完成的。而第6條，參數位址的回收，是由caller或者callee完成是由函數使用的調用約定（calling convention ）來決定的。下面的小節我們就來講解函數的調用約定。
函數的調用約定（calling convention）
函數的調用約定(calling convention)指的是進入函數時，函數的參數是以什麼順序壓入堆棧的，函數退出時，又是由誰（Caller還是Callee）來清理堆棧中的參數。有2個辦法可以指定函數使用的調用約定：
1）在函數定義時加上修飾符來指定，如
1
2
3
4
void __thiscall mymethod();
{
...
}
2）在VS工程設定中為工程中定義的所有的函數指定預設的調用約定：在工程的主菜單打開Project|Project Property|Configuration Properties|C/C++|Advanced|Calling Convention，選擇調用約定（注意：這種做法對類成員函數無效）。
常用的調用約定有以下3種：
1）__cdecl。這是VC編譯器預設的調用約定。其規則是：參數從右向左壓入堆棧，函數退出時由caller清理堆棧中的參數。這種調用約定的特點是支援可變數量的參數，比如printf方法。由于callee不知道caller到底将多少參數壓入堆棧，是以callee就沒有辦法自己清理堆棧，是以隻有函數退出之後，由caller清理堆棧，因為caller總是知道自己傳入了多少參數。
2）__stdcall。所有的Windows API都使用__stdcall。其規則是：參數從右向左壓入堆棧，函數退出時由callee自己清理堆棧中的參數。由于參數是由callee自己清理的，是以__stdcall不支援可變數量的參數。
3) __thiscall。類成員函數預設使用的調用約定。其規則是：參數從右向左壓入堆棧，x86構架下this指針通過ECX寄存器傳遞，函數退出時由callee清理堆棧中的參數，x86構架下this指針通過ECX寄存器傳遞。同樣不支援可變數量的參數。如果顯式地把類成員函數聲明為使用__cdecl或者__stdcall，那麼，将采用__cdecl或者__stdcall的規則來壓棧和出棧，而this指針将作為函數的第一個參數最後壓入堆棧，而不是使用ECX寄存器來傳遞了。
反編譯代碼的跟蹤（不熟悉彙編可跳過）
以下代碼為和foo函數對應的堆棧幀建立相關的代碼的反編譯代碼，我将逐行給出注釋，可對照前文中對堆棧的描述：
main函數中 int result=foo(3,4); 的反彙編：
1
2
3
4
5
008A147E push 4 //b=4 壓入堆棧
008A1480 push 3 //a=3 壓入堆棧,到達圖2的狀态
008A1482 call foo (8A10F5h) //函數傳回值入棧,轉入foo中執行,到達圖3的狀态
008A1487 add esp,8 //foo傳回,由于采用__cdecl,由Caller清理參數
008A148A mov dword ptr [result],eax //傳回值儲存在EAX中,把EAX賦予result變量
下面是foo函數代碼正式執行前和執行後的反彙編代碼
008A13F0 push ebp //把ebp壓入堆棧
008A13F1 mov ebp,esp //ebp指向先前的ebp,到達圖4的狀态
008A13F3 sub esp,0E4h //為局部變量配置設定0E4位元組的空間,到達圖5的狀态
008A13F9 push ebx //壓入EBX
008A13FA push esi //壓入ESI
008A13FB push edi //壓入EDI,到達圖7的狀态
008A13FC lea edi,[ebp-0E4h] //以下4行把局部變量區初始化為每個位元組都等于cch
008A1402 mov ecx,39h
008A1407 mov eax,0CCCCCCCCh
008A140C rep stos dword ptr es:[edi]
...... //省略代碼執行N行
......
008A1436 pop edi //恢複EDI
008A1437 pop esi //恢複ESI
008A1438 pop ebx //恢複EBX
008A1439 add esp,0E4h //回收局部變量位址空間
008A143F cmp ebp,esp //以下3行為Runtime Checking,檢查ESP和EBP是否一緻
008A1441 call @ILT+330(__RTC_CheckEsp) (8A114Fh)
008A1446 mov esp,ebp
008A1448 pop ebp //恢複EBP
008A1449 ret //彈出函數傳回位址，跳轉到函數傳回位址執行 //(__cdecl調用約定,Callee未清理參數)