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C 语言内存布局与 ABI ​

更新时间：2026-08-25。本文是 languages/c/ 主题专家层第 2 篇。入门层讲"局部变量在栈上"，本文深入"栈到底怎么工作"——函数调用时栈帧如何建立、参数怎么传、返回值怎么给。这是理解 perf 反汇编、看懂调用栈、排查栈溢出问题的底层功。

本文要回答的问题 ​

  • 函数调用时，栈上发生了什么？"栈帧"里存了什么？
  • 参数是通过寄存器传还是通过栈传？返回值放哪？
  • 什么是 ABI？为什么不同编译器编出来的 .o 能互相链接？

一、进程虚拟内存布局回顾 ​

先建立全局坐标（详细见入门篇 指针基础 与 栈与堆）：

区域地址方向内容
代码段（text）低地址机器指令，只读
数据段（data/bss）中间全局/静态变量
堆（heap）向上增长malloc 动态分配
栈（stack）向下增长局部变量、调用帧

栈向下增长意味着：每调用一次函数，栈指针（rsp）减小（向低地址移动），为新栈帧腾出空间。

二、栈帧（stack frame） ​

2.1 栈帧里有什么 ​

每次函数调用，都会在栈上开辟一个"栈帧"，存放：

内容作用
返回地址函数结束后回到哪
保存的寄存器调用者的寄存器上下文
局部变量函数内的局部变量
参数（部分）超过寄存器数量的参数
C 语言内存布局与 ABI 示意图

2.2 函数调用的完整过程（以 x86-64 为例） ​

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

int main(void) {
    int r = add(3, 4);
    return r;
}

编译成汇编（gcc -S）后，add 函数大致是：

asm
add:
    push   %rbp          ; ① 保存调用者的 rbp
    mov    %rsp, %rbp    ; ② rbp 指向当前栈帧底部
    mov    %edi, -4(%rbp)   ; 参数 a（edi）存到局部
    mov    %esi, -8(%rbp)   ; 参数 b（esi）存到局部
    mov    -4(%rbp), %eax   ; 计算 a + b
    add    -8(%rbp), %eax
    mov    %eax, -12(%rbp)  ; sum 存到局部
    mov    -12(%rbp), %eax  ; 返回值放 eax
    pop    %rbp          ; ③ 恢复 rbp
    ret                   ; ④ 弹出返回地址并跳回

三、System V AMD64 调用约定 ​

调用约定（calling convention）规定"参数怎么传、返回值怎么给、谁负责保存哪些寄存器"。64 位 Linux 用 System V AMD64 ABI：

3.1 参数传递 ​

前 6 个整型/指针参数用寄存器传：

参数顺序寄存器
第 1 个rdi
第 2 个rsi
第 3 个rdx
第 4 个rcx
第 5 个r8
第 6 个r9

超过 6 个的参数压栈传递。浮点参数用 xmm0~xmm7。

3.2 返回值 ​

整型/指针返回值放 rax，浮点返回值放 xmm0。

3.3 寄存器分类 ​

类型寄存器谁负责保存
被调用者保存（callee-saved）rbx rbp r12~r15被调函数用前要保存，返回前恢复
调用者保存（caller-saved）rax rcx rdx rsi rdi r8~r11调用者需自己保存

四、什么是 ABI ​

ABI（Application Binary Interface，应用二进制接口） 规定二进制层面的兼容规则：

ABI 规定的内容说明
数据类型大小int 几字节、对齐方式
调用约定参数/返回值怎么传
系统调用方式怎么发起 syscall
可执行文件格式ELF

为什么重要：只要遵守同一 ABI，不同编译器（gcc/clang）、不同语言（C/Rust）编译出的 .o 就能互相链接。这就是为什么 Rust 能调用 C 库、C 能调用汇编。

ABI 与 API 的区别：API 是源码层面的接口约定（函数签名），ABI 是二进制层面的约定（寄存器/内存布局）。API 变了要改代码，ABI 变了要重新编译。

五、栈溢出（stack overflow） ​

栈大小是有限的（默认约 8MB，ulimit -s 查看）。以下情况会栈溢出：

  1. 无限递归：每层递归占一个栈帧，深到一定程度耗尽栈。
  2. 超大局部数组：int huge[10000000]; 在栈上分配几十 MB。
  3. 越界写破坏返回地址：缓冲区溢出攻击的原理。
c
void recurse(int n) {
    recurse(n + 1);   // 无终止条件，无限递归 → 栈溢出
}

栈溢出会导致 SIGSEGV（段错误），见 crash 排查线。

六、与本站主线衔接 ​

  • perf 反汇编：理解栈帧和寄存器，才能看懂 perf annotate 的汇编视图，见 perf 使用指南。
  • 火焰图：火焰图每个"层"就是一个栈帧，见 L5 ELF。
  • 缓冲区溢出：栈帧布局是理解溢出攻击与防护（栈保护、ASLR）的基础，见 crash 排查线。
  • 内存重排：ABI 与内存模型、屏障的关系，见 L4 内存屏障。

一句话总结 ​

内存布局与 ABI = 栈向下增长、每次调用开一个栈帧（返回地址+rbp+局部变量）、System V AMD64 用 rdi/rsi/rdx 等寄存器传前 6 个参数、rax 存返回值；看懂栈帧和调用约定，就真正看懂了 perf 反汇编和函数调用的底层机制。

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