《链接、装载与库》里的一个错误：关于调用栈
2009-11-17 00:29 by 老赵, 19842 visits
周六老同学聚会，出门前随手从桌上抓起了《程序员的自我修养——链接、装载与库》在路上翻。自从武汉博文出版社的周筠老师送给我这本书后，我基本上还没怎么看过。对这本书第一感觉是“标题党”，主标题起大了，虽然经过解释之后并非无法理解，但还是不太喜欢。但书还是好书，已经看完大半，而且基本上会在近期找个方式推荐一把。不过现在我想细说的并不是推荐相关话题（如适合谁看，该怎么看，结合什么一起看等等），而是想指出书中还未被《勘误》收录的一个错误：P288讲调用栈时，文字描述和配图上的问题。
什么是调用栈呢？这里的“栈”和平时我们谈论的数据结构“栈”关系并不大。数据结构里的“栈”是一种先进后出的容器，日常生活中我们经常使用叠在一起的盘子进行类比。而计算机系统中的“栈”是一种有类似行为的内存区域，每次“压”进去和“弹”出来的都是数据。而这块内存区域，是在CPU进行过程调用时所“形成”，或者说是“使用”。与常见高级语言中的“方法”、“函数”不同，这里的“过程”并不是一种高级的抽象，它是CPU可以识别的概念，它的调用自有call指令与之应对。
那么这个“栈”又是什么形态的呢？它是“从高地址向低地址”扩展的一块区域，使用ebp和esp分别作为单个过程的调用栈的栈底和栈顶：
0xFFFFFFFF
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| | 高地址
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...
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-------------------------
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| | 前一个过程的调用栈
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------------------------- <-- 当前ebp（栈底）
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| | 当前过程的调用栈
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------------------------- <-- 当前esp（栈顶）
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...
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| | 低地址
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0x00000000
以上是在32位体系结构中的内存地址示意图。每次执行push指令时，esp都会减4（因为栈是向低地址增长的），每次pop时esp都会加4。当方法main需要调用foo时，它的标准形式为：
- 在main方法的调用栈中，将foo的参数push到栈中。
- 把main方法当前指令的下一条指定地址（即return address））push到栈中。
- 使用call指令调用目标函数体。
请注意，以上3步都处于main的调用栈，其中ebp保存其栈底，而esp保存其栈顶。而在foo方法body的标准形式为：
- 将ebp的当前值push到栈中，即saved ebp。
- 将esp的值赋给ebp，则意味着进入了foo方法的调用栈。
- 剩下的便是根据需要，保存（push）一些寄存器的值，或是计算过程中所需要的临时变量等等。
而在foo方法调用完毕后，便执行前面阶段的逆操作：
- 恢复（pop）一些寄存器的值。
- 将ebp的值赋给esp，意味着恢复foo调用时的栈顶。
- 将栈顶的值赋给ebp（pop ebp），即恢复main调用栈的栈底。
- ret，根据esp的位置，即栈顶获得之前保留的return address，继续执行。
可见，main方法先将foo方法所需的参数压入栈中，然后再改变ebp，进入foo方法的调用栈。因此，如果在foo方法中需要访问那些参数，则需要根据当前ebp中的值，再向高地址偏移后进行访问——因为高地址才是main方法的调用栈。也就是说，地址ebp + 8存放了foo方法的第1个参数，地址ebp + 12存放了foo方法的第2个参数，以此类推。那么地址ebp + 4存放了什么呢？它存放的是return address，即foo方法返回后，需要继续执行下去的main方法指令的地址。在著名的CSAPP中有这么一幅图，具体地展示了这一切：
可惜，书中P228却是这样写的：
在参数之后的数据（包括参数）即使当前函数的活动记录，ebp固定在图中所示的位置，不随这个函数的执行而变化，相反地，esp始终指向栈顶，因此随着函数的执行，esp会不断变化。固定不变的ebp可以用来定位函数活动记录的各个数据。在ebp之前首先是这个函数的返回地址，它的地址是ebp - 4，再往前是压入栈中的参数，它们的地址分别是ebp - 8、ebp - 12等，视参数数量和大小而定……
虽然书中的描述正确，但ebp + 4，ebp + 8，ebp + 12等地址都被错误的写成了ebp - 4，ebp - 8，ebp - 12。我估计这可能是由于栈是“从高地址向低地址扩充”的，此时的“之前”应该是“加”而不是“减”的缘故吧。这点的确不太符合人们“从小到大”的计数习惯，一时疏忽容易造成差错。此外，我认为书中配套的这幅示意图，似乎也有一些问题——至少不太妥当。如下：
在这幅图中，ebp的指针指向old (saved) ebp和return address之间，那么ebp地址究竟算是保存了什么值呢？正确说来，ebp地址中保存的应该是old ebp，也就是说，在这幅图中“取值”是由高地址向低地址进行的——这不太自然。而更容易产生“歧义”的是，esp的指针指向了整个“活动记录”的最底部，这给人的感觉似乎是，如果谈起“esp”地址保存的值，则应该向“高地址”来获取（因为“低地址”已经没了）。这就和ebp产生矛盾了。可能正因为如此，我看这幅示意图时总觉得有些别扭，虽然我的确可以将ebp理解为“向下”取值，但总还是想着将ebp往下“掰一格”，使其和esp的方向“感觉上”保持统一。那么更好的做法是什么呢？个人认为，最不会产生歧义的方式，是像CSAPP那样（即前面的那幅图），将指针直接指向某个内存“块”，而不是某个“边界”。
最后还有一个“问题”，那便是“Stack Frame”，即书中的“活动记录”的范围究竟是什么。在CSAPP中，一个Stack Frame是从ebp开始到esp范围的这块内存区域，但《链接》一书却认为它是从方法调用的参数开始到esp。这个区别从上面两幅图中也可以看出。我不知道孰对孰错，但是书中写的很清楚，因此这里肯定不是疏忽。我怀疑是不是“流派”之间的差异所致
虽然《链接、装载与库》中有这么一个小问题，但瑕不掩瑜，它仍然是国内难得踏实的技术书籍。而且，这本书的作者“余甲子”是2006年在读研一的“同学”——所以我经常说，总有一些牛人让我汗颜。此话真的不假。
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您发文章的时间集中在00：20-00：30间
我记忆中不下10篇了
呵呵
支持
能写写您从最普通的员工如何成长到现在这样的吗？
早就想听听了，望您能成文！