c语言分层理解（函数栈帧的创建和销毁）

前言

我们都知道函数是个很神奇的东西，程序员可以自己写个函数完成对应的功能，但是这里有很多实现的小细节。具体我们来用一段短小精悍的代码来解释函数栈帧的创建和销毁。
在理解的同时，我们要关注以下这几个问题：

1.局部变量是怎么创建的？
2.为什么局部变量的值是随机值?
3.函数是怎么传参的？传参的顺序是怎么样的？
4.形参和实参是什么关系？
5.函数调用是怎么做的？
6.函数调用是结束后怎么返回的？

注意：不同编译器下，函数调用过程中栈帧的创建有差异的，具体细节取决于编译器的实现。

正题

1.了解寄存器

1.1 寄存器是什么？

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。详细一点就是寄存器就是一种常用的时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。

1.2 常见的寄存器

4个数据寄存器（eax、ebx、ecx、edx）
2个变址和指针寄存器（esi、edi）
2个指针寄存器（esp、ebp）
esp：寄存器存放当前线程的栈顶指针
ebp：寄存器存放当前线程的栈底指针
esp和ebp这两个寄存器中存放地址，这两个地址用来维护函数栈帧

具体寄存器知识还有很多，这里我们先做了解。

1.3 什么是栈，什么是栈帧？

1.3.1 什么是栈？

在数据结构中,栈是限定仅在表尾进行插入或删除操作的线性表。栈是一种数据结构，它按照后进先出的原则存储数据，先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据。
在计算机系统中，栈也可以称之为栈内存是一个具有动态内存区域,存储函数内部（包括main函数）的局部变量和方法调用和函数参数值，是由系统自动分配的，一般速度较快；存储地址是连续且存在有限栈容量，会出现溢出现象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，而弹出操作使栈减小。栈用于维护函数调用的上下文，离开了栈函数调用就没法实现。

1.3.2 什么是栈帧？

每一次函数的调用,都会在调用栈(call stack)上维护一个独立的栈帧(stack frame).每个独立的栈帧一般包括:

1. 函数的返回地址和参数
2. 临时变量:包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
3. 函数调用的上下文

栈是从高地址向低地址延伸,一个函数的栈帧用ebp 和 esp 这两个寄存器来划定范围,ebp 指向当前的栈帧的底部,esp 始终指向栈帧的顶部。

1.4 常见的反汇编指令

add：加法指令，第一个是目标操作数，第二个是源操作数，格式为：目标操作数 = 目标操作数 + 源操作数

sub：减法指令，格式和add格式一样

call：调用函数，一般函数的参数放在寄存器中

ret：跳转会调用函数的地方。对应于call，返回到对应的call调用的下一条指令，若有返回值，则放入eax中

push：把一个32位的操作数压入堆栈中，这个操作在32位机中会使得esp被减4（字节），也就是说，push指令一旦下达，esp的指针偏移量就会减4

pop：与push相反，esp每次加4（字节），一个数据出栈

mov：数据传送。第一个参数是目的操作数，第二个参数是源操作数，就是把源操作数拷贝到目的一份

lea：取得第二个参数地址后放入到前面的寄存器（第一个参数）中。(lea就是load effective address的意思)

stos：串行存储指令，它实现把eax中的数据放入到edi所指的地址中，同时edi后移4个字节

jmp：无条件跳转指令，对应于大量的条件跳转指令

cmp：进行比较两个操作数的大小，为第一个操作减去第二个操作数，但不影响第两个操作数的值

以上知识目前只了解，待我能力杠杠的时候，会深度去探讨和研究这些汇编和底层的东西，现在只需要知道即可。

上面的准备知识已经完毕，下面我们一起来通过代码调试到汇编，从汇编的角度去看问题。

2.探讨函数栈帧的创建和销毁

首先展示代码：

#include 
//观察函数栈帧
int Add(int x, int y)
{
	int z = 0;
	z = x + y;
	return z;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = 0;

	c = Add(a, b);
	printf("%d\n", c);
	return 0;
}

2.1 main函数被谁调用？

我们一定要知道一个知识：每个函数调用都要创建自己的空间。
有了这句话我们就想知道main函数是不是也是被别的函数调用的呢？是的，main函数也是被调用的，我们用vs2022x86版本来看（不同的版本和不同的编译器其中的实现都有所不同）。




结论：main函数是被其他函数调用的，具体是被invoke_main这个函数调用的，而这个invoke_main这个函数被_srct_common_main_seh这个函数调用的，这个_srct_common_main_seh函数是被_srct_common_main这个函数调用的。而这个_srct_common_main这个函数是被mainCRTStartup调用的。
这就搞清楚了main函数被调用的过程。再次理解了每个函数都是被调用的，都创建了自己的空间。

2.2 怎么在栈区开辟空间以及如何利用空间？

首先要知道这个知识点：函数的创建都是在栈上开辟空间的。
其次，函数既然是栈上开辟空间，那么如何利用呢？看图解释：

2.3 汇编角度深入函数栈帧的创建和销毁

在x86情况下，调试起来看这段代码的整个流程：

2.3.1 从main函数开始理解栈帧

这是main函数里面的反汇编代码：

3 问题问答

这张图就可以解决上述问题。
再来对上述问题进行总结：

1.局部变量是怎么创建的？
回答：就是把对应的数据放进寄存器中。

2.为什么局部变量不初始化的值是随机值?
回答：在创建函数栈帧时，按照对应的设置个数，把栈顶指针指向的地址，向下按照对应的设置个数进行设置，设置为0xCCCCCCCC的值，所以我们看到有时候就是随机值的现象。

3.函数是怎么传参的？传参的顺序是怎么样的？
数据放进寄存器传参，传参的顺序是从右向左的。

4.形参和实参是什么关系？
形参就是实参的一份临时拷贝，用的寄存器存储数据，形参使用的时候直接找到寄存器中存储的数据直接使用。

5.函数调用是怎么做的？
首先开辟函数栈帧，然后进行相应的操作。

6.函数调用是结束后怎么返回的？
值是通过寄存器返回的。函数是通过ret指令返回到进入函数时记录的地址。

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