(修炼内功)函数栈帧的创建和销毁

前言

修炼内功才是你和别人拉开差距的地方。越触及底层就会发现计算机竟有如此的有魅力。希望每个看到这篇文章的人都可以好好食用。

目录

前言

1. 什么是函数栈帧

2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢？ 

3. 函数栈帧的创建和销毁解析 

3.1 什么是栈？

3.2.1 认识相关寄存器和汇编指令

3.2.2相关汇编命令

3.3.3函数的调用堆栈

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 

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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呢？ 

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。

3.2.1 认识相关寄存器和汇编指令

寄存器                                                                    功能

  eax                                   累加寄存器，相对于其他寄存器，在运算方面比较常用                 

  ebx                                   基地址寄存器，在内存寻址时存放基地址

  ecx                                    计数寄存器，用于循环操作，比如重复的字符存储操作，或者数                                              字统计。

  edx                                    作为EAX的溢出寄存器，总是被用来放整数除法产生的余数。

  esi                                     源变址寄存器，主要用于存放存储单元在段内的偏移量。通常在                                              内存操作指令中作为“源地址指针”使用

  edi                                     目的变址寄存器，主要用于存放存储单元在段内的偏移量

  eip                                     控制寄存器，存储CPU下次所执行的指令地址（存放指令偏移地                                              址）

  esp                                    栈顶指针，堆栈的顶部是地址小的区域，压入堆栈的数据越多，                                              esp也就越来越小。在32位平台上，esp每次减少4字节。栈指针                                              寄存器(extended stack pointer)，它的里面放着一个指针，该指                                              针永远指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶。

  ebp                                    基址指针，指栈的栈底指针。基址指针寄存器(extended base                                                  pointer)，一般与esp配合使用，可以存取某时刻的esp，这个时                                              刻就是进入一个函数内后，CPU会将esp的值赋给ebp，此时就                                                可以通过ebp对栈进行操作，比如获取函数参数，局部变量等。                                              它的里面放着一个指针，该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧                                              的底部。

以下图片简单的解释了一下这两个寄存器的作用 

每一个函数调用，都要在栈区创建一个空间 ,而ebp,esp这两个寄存器中存放的是地址，这两个地址是用来维护函数栈帧的。

3.2.2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

3.3.3函数的调用堆栈

#include <stdio.h>

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： 

3.3.4 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-4
00BE1821 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esp

00BE1823 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-4
00BE182A push esi //将寄存器esi的值压栈，esp-4
00BE182B 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0xCC
00BE182C lea edi,[ebp-24h]
00BE182F mov ecx,9
00BE1834 mov eax,0CCCCCCCCh
00BE1839 rep stos dword ptr es:[edi]

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-4
00BE1854 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-4
00BE1854 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-4
00BE1761 mov ebp,esp //将main函数的esp赋值给新的ebp，ebp现在是Add函数的ebp
00BE1763 sub esp,0CCh //给esp-0xCC，求出Add函数的esp
00BE1769 push ebx //将ebx的值压栈,esp-4
00BE176A push esi //将esi的值压栈,esp-4
00BE176B push edi //将edi的值压栈,esp-4
int 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z
z = 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 寄存器中准备带回 

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+4
00BE1780 pop esi //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+4
00BE1781 pop ebx //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+4
00BE1782 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

到这里我们给大家完整的演示了main函数栈帧的创建，Add函数站真的额创建和销毁的过程，相信大家 已经能够基本理解函数的调用过程，函数传参的方式，也能够回答本篇文章开始处的问题了。