函数栈帧的创建和销毁

在c语言中函数十分常见，一个函数往往实现一个独立的功能，而我们需要使用它的时候就需要对他进行调用，一个函数有可能会有返回值，那函数中的这些值是怎样返回，函数又是如何调用，我通过函数栈帧来解释一下

函数栈帧可以把它理解为一片空间，每次函数调用时都是在栈上开辟的空间，开辟了空间我们才可以在这个函数里创建临时变量，对一些值进行修改，以及函数的返回值 。而这开辟的空间我们可以把它叫做函数栈帧。而函数栈帧有什么用，函数栈帧可以帮助我们理解局部变量是如何创建的，以及值是如何返回的，以及局部变量在不初始化时它的值为何是随机值，以及形参与实参之间是如何传递。

我们都说函数调用时都要开辟一个栈帧空间，那么栈是什么，栈它是（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（因为函数在栈开辟空间，），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（先入后出  数据结构的一种术语）。就像叠盘子，死胡同等，在最下面的最后取出一样。而在栈中，栈是由下而上的，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，栈操作就是高地址->低地址，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。

我在这里先引入相关寄存器和相关指令(因为我在调试的时候需要观察它的栈帧区（调用栈帧））

相关的寄存器：寄存器它是存的是地址（空间）

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

汇编指令

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

函数在调用时都开辟了一块栈帧空间，这块栈帧空间就是通过函数栈帧维护（就像你买的房子，它需要物业来维护吧）函数空间也同样如此，而函数栈帧就是维护函数空间的，而有了函数栈帧维护，我们才可以在函数内部创建临时变量，从而进行一系列的操作。那么函数栈帧是怎样维护这块空间的，它是通过两个寄存器实现维护的，分别是esp,ebp;ebp寄存器记录的是栈底的地址，esp寄存器纪录的是栈 顶的地址，

如图

在监视通过调用堆栈观察，通过调用堆栈，可以发现是谁调用了谁

#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;
}

可以发现main 函数调用之前，是由 invoke_main 函数来调用main函数。而在调用main()函数时，先为main()函数开辟一块栈帧空间，然后通过ebp,esp维护这片空间，ebp指向栈底，esp指向栈顶

esp和ebp维护的这片空间就是为main()函数开辟的，然后后续就可以在这片空间里创建变量。

同时也可以确定invoke_main函数也有自己的函数栈帧，但是我就不过多赘述了，每个函数都有函数栈帧都有自己的esp和ebp来维护栈帧空间。main()函数和Add()函数也有自己的函数栈帧维护栈帧空间，main()函数调试刚开始时点击空白处转到它的反汇编，可以查看它的反汇编代码。

 

 但是这里的地址不是每次都是这个，在每次编译时地址都不相同。

上面是mian()函数转反汇编代码，

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。

ebp和esp之间维护了一块栈空间，就是为main()栈空间维护的，也就是main()函数的栈帧空间，在这空间内存储局部变量及其他信息 ，在这一栈帧空间创建变量，是这函数栈帧中给它一块空间给他用

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

//这上述提到的压栈都是在栈顶进行的

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]

//这里led是将有效的数据放入edi这一寄存器中

00BE182F mov ecx,9

//将9转移至ecx这一寄存器中

00BE1834 mov eax,0CCCCCCCCh/

00BE1839 rep stos dword ptr es:[edi]

//这里dword这里的word为两个字节dword就是4个字节了

//将edi到ebp这一空间的每个字节都初始化为0CCCCCCCCh

这就相当于为main()函数开创了一个栈帧空间了，从edi到ebp的空间，而这些值是随机的，如果在这函数栈帧中申请空间创建一个变量（临时变量）时，不初始化它，那么这一变量就是这一空间的随即值（字节）0CCCCCCCCh，所以这就是为什么在创建变量时最好将其初始化的重要性。

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;//将其全部初始化，0xCCCCCCCC;

}

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

记住这一位置

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//ebp-14h从main()函数栈底也就是ebp维护的栈底-14h这一块空间是属于变量b的

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

[ebp-14h]为b的地址

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

//这上面都是先将这些变量存放在寄存器中，然后在函数调用时通过这些寄存器找到值

00BE1857   push   ecx  / /将ecx的值压栈，esp-4,压栈向里面压四个字节

//跳转调用函数

00BE1858  call       00BE10B4//call是调用的意思

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。这就是返回值，返回值就是通过找到下一个指令返回的。

 当跳转到Add函数，就要开始观察Add函数的反汇编代码了，同样的操作了

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，找到3

00BE1776 add eax,dword ptr [ebp+0Ch] //将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中，找到5

//这里通过寄存器找到值

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

//将这个寄存器里的结果放入一个地址处保存起来

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。

//再把这个地址的值放入寄存器中，因为在函数结束时你需要销毁这一栈帧空间，操作系统回收，而这个值又需要返回，所以就将这值存放入寄存器中带回，就作为函数的返回值

}

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 寄存器尊准备带回

 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。

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。

00BE177F   pop   edi //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+4（跳跃字节空间）

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：就是返回到了那个地方（因为在前面调用时就先存放了下一条指令的地址），通过返回这一地址的方法，函数值得以返回。

 

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。

那么现在对于在main()函数中末尾总是要加return 0;也有了清晰的认知，原来它是返回invoke_main（），因为在这一函数中找到它的下一指令，通过寄存器将main()函数的返回值带给invoke_main（），invoke_main（）在寄存器中读取main()函数的返回值，我现在是理解了为啥每次都要在结尾加return 0;并且它返回哪里了。