C语言函数栈帧剖析：揭秘函数调用机制

在C语言的浩瀚世界中，函数栈帧扮演着至关重要的角色，主导着函数的调用和执行。本文将深入剖析函数栈帧的内部运作，逐层揭开函数调用机制的神秘面纱。

前言

回顾学习递归的困惑，疑问接踵而至：

• 局部变量如何创建？
• 为何局部变量值随机？
• 函数如何传参？传参顺序如何？
• 形参和实参有何关联？
• 函数调用如何实现？

函数调用机制

栈帧概念

函数栈帧是一个内存空间区域，专门用于存储函数调用期间的信息。它包含局部变量、函数参数、返回地址等信息。

栈帧创建

当函数被调用时，会在栈上创建一个栈帧。栈帧由两个指针管理：栈顶指针（SP）和帧指针（FP）。SP指向栈顶，FP指向当前栈帧。

局部变量分配

局部变量在栈帧中分配空间。每个局部变量都有自己的偏移量，相对于FP。函数调用完成后，局部变量将被释放。

参数传递

函数参数通过值传递或引用传递的方式传递。在值传递中，实参值被复制到栈帧中的形参变量。在引用传递中，实参的地址被传递给栈帧中的形参变量。

函数调用过程

函数调用过程如下：

1. 将实参压栈。
2. 将返回地址压栈。
3. 更新SP指向新栈顶。
4. 更新FP指向新栈帧。
5. 执行函数代码。
6. 更新SP指向旧栈顶。
7. 更新FP指向旧栈帧。
8. 返回执行结果。

递归过程

在递归调用中，每次调用都会创建一个新的栈帧。因此，函数可以嵌套调用自身多次。在每个栈帧中，局部变量和参数都独立存储。

实例分析

int sum(int a, int b) {
  int c = a + b;
  return c;
}

int main() {
  int x = 10;
  int y = 20;
  int z = sum(x, y);
  printf("%d", z);
  return 0;
}

栈帧结构

• main函数栈帧：存储局部变量x、y、z。
• sum函数栈帧：存储局部变量c、形参a、b。

函数调用过程

1. 将x和y压栈（main函数栈帧）。
2. 将main函数返回地址压栈（main函数栈帧）。
3. 更新SP指向新栈顶（sum函数栈帧）。
4. 更新FP指向新栈帧（sum函数栈帧）。
5. 将实参x复制到形参a。
6. 将实参y复制到形参b。
7. 执行sum函数代码，计算c。
8. 将结果c返回main函数。
9. 更新SP指向旧栈顶（main函数栈帧）。
10. 更新FP指向旧栈帧（main函数栈帧）。
11. 打印z（main函数栈帧）。

总结

函数栈帧是C语言函数调用机制的核心。通过深入理解函数栈帧的创建、参数传递、局部变量分配等过程，我们可以全面掌握函数调用的运作方式，为编写高效、可靠的C语言程序奠定坚实基础。