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函数栈帧的创建与销毁（超详解）

网友: 文档中心 2022-04-24 21:48:41

函数栈帧的创建与销毁

  • 1、什么是函数栈帧
  • 2、理解函数栈帧能解决什么问题
  • 3、函数栈帧的创建和销毁解析
    • 3.1 什么是栈？
    • 3.2 认识相关寄存器和汇编指令
    • 3.3 解析函数栈帧的创建和销毁
      • 3.3.1 预备知识
      • 3.3.2 函数的调用堆栈
      • 3.3.3 准备环境
      • 3.3.4 转到反汇编
      • 3.3.5 函数栈帧的创建
      • 3.3.6 函数栈帧的销毁

1、什么是函数栈帧

我们在写C语言代码的时候，经常会把一个独立的功能抽象为函数，所以C程序是以函数为基本单位的。
那函数是如何调用的？函数的返回值又是如何待会的？函数参数是如何传递的？这些问题都和函数栈帧
有关系。
函数栈帧（stack frame）就是函数调用过程中在程序的调用栈（call stack）所开辟的空间，这些空间
是用来存放：

  • 函数参数和函数返回值
  • 临时变量（包括函数的非静态的局部变量以及编译器自动生产的其他临时变量）
  • 保存上下文信息（包括在函数调用前后需要保持不变的寄存器）。

2、理解函数栈帧能解决什么问题

理解函数栈帧有什么用呢？
只要理解了函数栈帧的创建和销毁，以下问题就能够很好的额理解了：

  • 局部变量是如何创建的？
  • 为什么局部变量不初始化内容是随机的？
  • 函数调用时参数时如何传递的？传参的顺序是怎样的？
  • 函数的形参和实参分别是怎样实例化的？
  • 函数的返回值是如何带会的？
    让我们一起走进函数栈帧的创建和销毁的过程中。

3、函数栈帧的创建和销毁解析

3.1 什么是栈？

栈（stack）是现代计算机程序里最为重要的概念之一，几乎每一个程序都使用了栈，没有栈就没有函
数，没有局部变量，也就没有我们如今看到的所有的计算机语言。

在经典的计算机科学中，栈被定义为一种特殊的容器，用户可以将数据压入栈中（入栈，push），也可
以将已经压入栈中的数据弹出（出栈，pop），但是栈这个容器必须遵守一条规则：先入栈的数据后出
栈（First In Last Out， FIFO）。就像叠成一叠的术，先叠上去的书在最下面，因此要最后才能取出。

在计算机系统中，栈则是一个具有以上属性的动态内存区域。程序可以将数据压入栈中，也可以将数据
从栈顶弹出。压栈操作使得栈增大，而弹出操作使得栈减小。

在经典的操作系统中，栈总是向下增长（由高地址向低地址）的。
在我们常见的i386或者x86-64下，栈顶由成为 esp 的寄存器进行定位的

3.2 认识相关寄存器和汇编指令

相关寄存器

  • eax：通用寄存器，保留临时数据，常用于返回值
  • ebx：通用寄存器，保留临时数据
  • ebp：栈底寄存器
  • esp：栈顶寄存器
  • eip：指令寄存器，保存当前指令的下一条指令的地址

相关汇编命令

  • mov：数据转移指令
  • push：数据入栈，同时esp栈顶寄存器也要发生改变
  • pop：数据弹出至指定位置，同时esp栈顶寄存器也要发生改变
  • sub：减法命令
  • add：加法命令
  • call：函数调用，1. 压入返回地址 2. 转入目标函数
  • jump：通过修改eip，转入目标函数，进行调用
  • ret：恢复返回地址，压入eip，类似pop eip命令

3.3 解析函数栈帧的创建和销毁

3.3.1 预备知识

首先我们达成一些预备知识才能有效的帮助我们理解，函数栈帧的创建和销毁。

  1. 每一次函数调用，都要为本次函数调用开辟空间，就是函数栈帧的空间。
  2. 这块空间的维护是使用了2个寄存器： esp 和 ebp ， ebp 记录的是栈底的地址， esp 记录的是栈顶
    的地址。
    如图所示：
    esp和ebp共同维护运行时的函数栈帧
  3. 函数栈帧的创建和销毁过程，在不同的编译器上实现的方法大同小异，本次演示以VS2019为例。

3.3.2 函数的调用堆栈

演示代码：

#include int Add(int x, int y){int z = 0;z = x + y;return z;}int main(){int a = 3;int b = 5;int ret = 0;ret = Add(a, b);printf("%d\n", ret);return 0;}

这段代码，如果我们在VS2019编译器上调试，调试进入Add函数后，我们就可以观察到函数的调用堆栈
（右击勾选【显示外部代码】），如下图：

函数调用堆栈是反馈函数调用逻辑的，那我们可以清晰的观察到， main 函数调用之前，是由
invoke_main 函数来调用main函数。
在 invoke_main 函数之前的函数调用我们就暂时不考虑了。
那我们可以确定， invoke_main 函数应该会有自己的栈帧， main 函数和 Add 函数也会维护自己的栈
帧，每个函数栈帧都有自己的 ebp 和 esp 来维护栈帧空间。
那接下来我们从main函数的栈帧创建开始讲解：

3.3.3 准备环境

为了让我们研究函数栈帧的过程足够清晰，不要太多干扰，我们可以关闭下面的选项，让汇编代码中排
除一些编译器附加的代码：

3.3.4 转到反汇编

调试到main函数开始执行的第一行，右击鼠标转到反汇编。
注：VS编译器每次调试都会为程序重新分配内存，课件中的反汇编代码是一次调试代码过程中数据，每
次调试略有差异。

int main(){//函数栈帧的创建00BE1820  push     ebp 00BE1821  mov     ebp,esp 00BE1823  sub     esp,0E4h 00BE1829  push     ebx 00BE182A  push     esi 00BE182B  push     edi 00BE182C  lea     edi,[ebp-24h] 00BE182F  mov     ecx,9 00BE1834  mov     eax,0CCCCCCCCh 00BE1839  rep stos   dword ptr es:[edi] //main函数中的核心代码int a = 3;00BE183B  mov     dword ptr [ebp-8],3 int b = 5;00BE1842  mov     dword ptr [ebp-14h],5 int ret = 0;00BE1849  mov     dword ptr [ebp-20h],0 ret = Add(a, b);00BE1850  mov     eax,dword ptr [ebp-14h] 00BE1853  push     eax 00BE1854  mov     ecx,dword ptr [ebp-8] 00BE1857  push     ecx 00BE1858  call     00BE10B4 00BE185D  add     esp,8 00BE1860  mov     dword ptr [ebp-20h],eax printf("%d\n", ret);00BE1863  mov     eax,dword ptr [ebp-20h] 00BE1866  push     eax 00BE1867  push     0BE7B30h 00BE186C  call     00BE10D2 00BE1871  add     esp,8 return 0;00BE1874  xor     eax,eax }

3.3.5 函数栈帧的创建

这里我看到 main 函数转化来的汇编代码如上所示。
接下来我们就一行行拆解汇编代码

00BE1820  push     ebp   //把ebp寄存器中的值进行压栈，此时的ebp中存放的是invoke_main函数栈帧的ebp，esp-400BE1821  mov     ebp,esp  //move指令会把esp的值存放到ebp中，相当于产生了main函数的ebp，这个值就是invoke_main函数栈帧的esp00BE1823  sub     esp,0E4h  //sub会让esp中的地址减去一个16进制数字0xe4,产生新的esp，此时的esp是main函数栈帧的esp，此时结合上一条指令的ebp和当前的esp，ebp和esp之间维护了一个块栈空间，这块栈空间就是为main函数开辟的，就是main函数的栈帧空间，这一段空间中将存储main函数中的局部变量，临时数据已经调试信息等。00BE1829  push     ebx  //将寄存器ebx的值压栈，esp-400BE182A  push     esi  //将寄存器esi的值压栈，esp-400BE182B  push     edi  //将寄存器edi的值压栈，esp-4//上面3条指令保存了3个寄存器的值在栈区，这3个寄存器的在函数随后执行中可能会被修改，所以先保存寄存器原来的值，以便在退出函数时恢复。 //下面的代码是在初始化main函数的栈帧空间。//1. 先把ebp-24h的地址，放在edi中//2. 把9放在ecx中//3. 把0xCCCCCCCC放在eax中//4. 将从edp-0x2h到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为0xCC00BE182C  lea     edi,[ebp-24h] 00BE182F  mov     ecx,9 00BE1834  mov     eax,0CCCCCCCCh 00BE1839  rep stos   dword ptr es:[edi]

上面的这段代码最后4句，等价于下面的伪代码：

edi = ebp-0x24;ecx = 9;eax = 0xCCCCCCCC;for(; ecx = 0; --ecx,edi+=4){  *(int*)edi = eax;}


小知识：烫烫烫~

之所以上面的程序输出“烫”这么一个奇怪的字，是因为main函数调用时，在栈区开辟的空间的其中每一
个字节都被初始化为0xCC，而arr数组是一个未初始化的数组，恰好在这块空间上创建的，0xCCCC（两
个连续排列的0xCC）的汉字编码就是“烫”，所以0xCCCC被当作文本就是“烫”。

接下来我们再分析main函数中的核心代码

int a = 3;00BE183B  mov     dword ptr [ebp-8],3  //将3存储到ebp-8的地址处，ebp-8的位置其实就是a变量int b = 5;00BE1842  mov     dword ptr [ebp-14h],5 //将5存储到ebp-14h的地址处，ebp-14h的位置其实是b变量int ret = 0;00BE1849  mov     dword ptr [ebp-20h],0  //将0存储到ebp-20h的地址处，ebp-20h的位置其实是ret变量//以上汇编代码表示的变量a,b,ret的创建和初始化，这就是局部的变量的创建和初始化//其实是局部变量的创建时在局部变量所在函数的栈帧空间中创建的//调用Add函数  ret = Add(a, b);//调用Add函数时的传参//其实传参就是把参数push到栈帧空间中00BE1850  mov     eax,dword ptr [ebp-14h]  //传递b，将ebp-14h处放的5放在eax寄存器中00BE1853  push     eax     //将eax的值压栈，esp-400BE1854  mov     ecx,dword ptr [ebp-8]   //传递a，将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中00BE1857  push     ecx     //将ecx的值压栈，esp-4//跳转调用函数00BE1858  call     00BE10B4 00BE185D  add     esp,8 00BE1860  mov     dword ptr [ebp-20h],eax


Add函数的传参

//调用Add函数  ret = Add(a, b);//调用Add函数时的传参//其实传参就是把参数push到栈帧空间中，这里就是函数传参00BE1850  mov     eax,dword ptr [ebp-14h]  //传递b，将ebp-14h处放的5放在eax寄存器中00BE1853  push     eax     //将eax的值压栈，esp-400BE1854  mov     ecx,dword ptr [ebp-8]   //传递a，将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中00BE1857  push     ecx     //将ecx的值压栈，esp-4//跳转调用函数00BE1858  call     00BE10B4 00BE185D  add     esp,8 00BE1860  mov     dword ptr [ebp-20h],eax


函数调用过程

//跳转调用函数00BE1858  call     00BE10B4 00BE185D  add     esp,8 00BE1860  mov     dword ptr [ebp-20h],eax

call 指令是要执行函数调用逻辑的，在执行call指令之前先会把call指令的下一条指令的地址进行压栈
操作，这个操作是为了解决当函数调用结束后要回到call指令的下一条指令的地方，继续往后执行。

当我们跳转到Add函数，就要开始观察Add函数的反汇编代码了。

int Add(int x, int y){00BE1760  push     ebp  //将main函数栈帧的ebp保存,esp-400BE1761  mov     ebp,esp  //将main函数的esp赋值给新的ebp，ebp现在是Add函数的ebp00BE1763  sub     esp,0CCh  //给esp-0xCC，求出Add函数的esp00BE1769  push     ebx    //将ebx的值压栈,esp-400BE176A  push     esi    //将esi的值压栈,esp-400BE176B  push     edi    //将edi的值压栈,esp-4int z = 0;   00BE176C  mov     dword ptr [ebp-8],0  //将0放在ebp-8的地址处，其实就是创建zz = x + y;  //接下来计算的是x+y，结果保存到z中00BE1773  mov     eax,dword ptr [ebp+8]  //将ebp+8地址处的数字存储到eax中00BE1776  add     eax,dword ptr [ebp+0Ch]  //将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中00BE1779  mov     dword ptr [ebp-8],eax   //将eax的结果保存到ebp-8的地址处，其实就是放到z中return z;00BE177C  mov     eax,dword ptr [ebp-8]   //将ebp-8地址处的值放在eax中，其实就是把z的值存储到eax寄存器中，这里是想通过eax寄存器带回计算的结果，做函数的返回值。}00BE177F  pop     edi 00BE1780  pop     esi 00BE1781  pop     ebx 00BE1782  mov     esp,ebp 00BE1784  pop     ebp 00BE1785  ret

代码执行到Add函数的时候，就要开始创建Add函数的栈帧空间了。
在Add函数中创建栈帧的方法和在main函数中是相似的，在栈帧空间的大小上略有差异而已。

  1. 将main函数的 ebp 压栈
  2. 计算新的 ebp 和 esp
  3. 将 ebx ， esi ， edi 寄存器的值保存
  4. 计算求和，在计算求和的时候，我们是通过 ebp 中的地址进行偏移访问到了函数调用前压栈进去的参数，这就是形参访问。
  5. 将求出的和放在 eax 寄存器准备带回

    图片中的 a’ 和 b’ 其实就是 Add 函数的形参 x , y 。这里的分析很好的说明了函数的传参过程，以及函数
    在进行值传递调用的时候，形参其实是实参的一份拷贝。对形参的修改不会影响实参。

3.3.6 函数栈帧的销毁

当函数调用要结束返回的时候，前面创建的函数栈帧也开始销毁。
那具体是怎么销毁的呢？我们看一下反汇编代码。

00BE177F  pop     edi  //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+400BE1780  pop     esi  //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+400BE1781  pop     ebx  //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+400BE1782  mov     esp,ebp  //再将Add函数的ebp的值赋值给esp，相当于回收了Add函数的栈帧空间00BE1784  pop     ebp  //弹出栈顶的值存放到ebp，栈顶此时的值恰好就是main函数的ebp，esp+4，此时恢复了main函数的栈帧维护，esp指向main函数栈帧的栈顶，ebp指向了main函数栈帧的栈底。00BE1785  ret //ret指令的执行，首先是从栈顶弹出一个值，此时栈顶的值就是call指令下一条指令的地址，此时esp+4，然后直接跳转到call指令下一条指令的地址处，继续往下执行。

回到了call指令的下一条指令的地方：

但调用完Add函数，回到main函数的时候，继续往下执行，可以看到：

00BE185D  add     esp,8   //esp直接+8，相当于跳过了main函数中压栈的a'和b'00BE1860  mov     dword ptr [ebp-20h],eax  //将eax中值，存档到ebp-0x20的地址处，其实就是存储到main函数中ret变量中，而此时eax中就是Add函数中计算的x和y的和，可以看出来，本次函数的返回值是由eax寄存器带回来的。程序是在函数调用返回之后，在eax中去读取返回值的。

拓展了解：
其实返回对象时内置类型时，一般都是通过寄存器来带回返回值的，返回对象如果时较大的对象时，一
般会在主调函数的栈帧中开辟一块空间，然后把这块空间的地址，隐式传递给被调函数，在被调函数中
通过地址找到主调函数中预留的空间，将返回值直接保存到主调函数的。具体可以参考《程序员的自我
修养》一书的第10章。

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