一文带你深入了解函数栈帧的创建和销毁

作者介绍：友友们好我是沐曦希，可以叫我小沐
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C语言系列文章：
1. 函数零基础使用大全，助你了解函数（二）
2. 函数零基础使用大全，助你了解函数（一）
3. .循环语句这些这些知识点你真的会了吗？（2）.
4. 你真的了解数组知识点吗？一篇博客带你全面了解数组
小沐和友友们一样喜欢编辑，天天敲代码，沉迷学习，日渐消瘦。很荣幸能向大家分享我的所学，和大家一起进步，成为合格的卷王。✨如果文章有错误，欢迎在评论区✏️指正。那么开始今天的学习吧！

✨前言

一个代码必定有函数，那么必然要内存来储存，而这储存就涉及到了函数栈帧的创建和销毁，深入了解函数栈帧的创建和销毁便于我们了解局部函数的如何创建和销毁，函数如何返回参数值等问题。

函数栈帧的定义

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。

C语言中，每个栈帧对应着一个未运行完的函数。栈帧中保存了该函数的返回地址和局部变量。
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：
1.函数参数和函数返回值
2.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）
3.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）。

而调用栈是：

调用栈最经常被用于存放子程序的返回地址。在调用任何子程序时，主程序都必须暂存子程序运行完毕后应该返回到的地址。因此，如果被调用的子程序还要调用其他的子程序，其自身的返回地址就必须存入调用栈，在其自身运行完毕后再行取回。在递归程序中，每一层次递归都必须在调用栈上增加一条地址，因此如果程序出现无限递归（或仅仅是过多的递归层次），调用栈就会产生栈溢出。
调用栈的主要功能是存放返回地址。
除此之外，调用栈还用于存放：
1.本地变量：子程序的变量可以存入调用栈，这样可以达到不同子程序间变量分离开的作用。
2.参数传递：如果寄存器不足以容纳子程序的参数，可以在调用栈上存入参数。
3.环境传递：有些语言（如Pascal与Ada）支持“多层子程序”，即子程序中可以利用主程序的本地变量。这些变量可以通过调用栈传入子程序。

那么让我们一起深入了解函数栈帧的创建和销毁吧！

✏️函数栈帧的创建和销毁

✏️栈

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）。

就好像在叠成一叠的书上，先叠上去的书在最下面，因此要最后才能取出。 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（push）中，也可以将数据从栈顶(pop)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，栈低则由成为 ebp 的寄存器进行定位的。

esp也可以看成是栈顶指针，ebp看成栈低指针，因为esp和ebp分别存放的是被调用函数栈顶和被调用函数栈低的地址，用于维护被调用函数的两个寄存器。✏️

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

解析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。

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，也有不同的地方。小沐用的是VS2019。

函数的调用堆栈

例如：

#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;
}

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。
从main函数创建开始讲起。

转到反汇编

int main()
{
//函数栈帧的创建
00F318B0 55                   push        ebp  
00F318B1 8B EC                mov         ebp,esp  
00F318B3 81 EC E4 00 00 00    sub         esp,0E4h  
00F318B9 53                   push        ebx  
00F318BA 56                   push        esi  
00F318BB 57                   push        edi  
00F318BC 8D 7D DC             lea         edi,[ebp-24h]  
00F318BF B9 09 00 00 00       mov         ecx,9  
00F318C4 B8 CC CC CC CC       mov         eax,0CCCCCCCCh  
00F318C9 F3 AB                rep stos    dword ptr es:[edi]  
//main函数的核心代码
00F318CB B9 03 C0 F3 00       mov         ecx,0F3C003h  
00F318D0 E8 46 FA FF FF       call        00F3131B  
	int a = 3;
00F318D5 C7 45 F8 03 00 00 00 mov         dword ptr [ebp-8],3  
	int b = 5;
00F318DC C7 45 EC 05 00 00 00 mov         dword ptr [ebp-14h],5  
	int ret = 0;
00F318E3 C7 45 E0 00 00 00 00 mov         dword ptr [ebp-20h],0  
	ret = Add(a, b);
00F318EA 8B 45 EC             mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
00F318ED 50                   push        eax  
00F318EE 8B 4D F8             mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
00F318F1 51                   push        ecx  
00F318F2 E8 BD F7 FF FF       call        00F310B4  
00F318F7 83 C4 08             add         esp,8  
00F318FA 89 45 E0             mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
	printf("%d\n", ret);
00F318FD 8B 45 E0             mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
00F31900 50                   push        eax  
00F31901 68 30 7B F3 00       push        0F37B30h  
00F31906 E8 C7 F7 FF FF       call        00F310D2  
00F3190B 83 C4 08             add         esp,8  
	return 0;
00F3190E 33 C0                xor         eax,eax  
}

代码实现函数栈帧的创建和销毁

int main()
{
//函数栈帧的创建
00F318B0 55                   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
00F318B1 8B EC                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 
00F318B3 81 EC E4 00 00 00    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。
00F318B9 53                   push        ebx  //将寄存器ebx的值压栈，esp-4
00F318BA 56                   push        esi  //将寄存器esi的值压栈，esp-4
00F318BB 57                   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-0x24h到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为0xCC
00F318BC 8D 7D DC             lea         edi,[ebp-24h]  
00F318BF B9 09 00 00 00       mov         ecx,9  
00F318C4 B8 CC CC CC CC       mov         eax,0CCCCCCCCh  
00F318C9 F3 AB                rep stos    dword ptr es:[edi]  
//main函数的核心代码

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;
}

int a = 3;
00F318D5 C7 45 F8 03 00 00 00 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;
00F318DC C7 45 EC 05 00 00 00 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;
00F318E3 C7 45 E0 00 00 00 00 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
00F318EA 8B 45 EC             mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  //传递b，将ebp-14h处放的5放在eax寄存器中
00F318ED 50                   push        eax  //将eax的值压栈，esp-4
00F318EE 8B 4D F8             mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  //传递a，将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中
00F318F1 51                   push        ecx  //将ecx的值压栈，esp-4

//跳转调用函数
00F318F2 E8 BD F7 FF FF       call        00F310B4  
00F318F7 83 C4 08             add         esp,8  
00F318FA 89 45 E0             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。
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

观察Add函数的反汇编代码:

int Add(int x, int y)
{
00F31770 55                   push        ebp  //将main函数栈帧的ebp保存,esp-4
00F31771 8B EC                mov         ebp,esp  //将main函数的esp赋值给新的ebp，ebp现在是Add函数的ebp
00F31773 81 EC CC 00 00 00    sub         esp,0CCh  //给esp-0xCC，求出Add函数的esp
00F31779 53                   push        ebx  //将ebx的值压栈,esp-4
00F3177A 56                   push        esi  //将esi的值压栈,esp-4
00F3177B 57                   push        edi  //将edi的值压栈,esp-4
	int z = 0;
00F31795 C7 45 F8 00 00 00 00 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
00F3179C 8B 45 08             mov         eax,dword ptr [ebp+8] //将ebp+8地址处的数字存储到eax中 
00F3179F 03 45 0C             add         eax,dword ptr [ebp+0Ch] //将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中 
00F317A2 89 45 F8             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;
00F317A5 8B 45 F8             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。 
}
00F317A8 5F                   pop         edi  //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+4
00F317A9 5E                   pop         esi  //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+4
00F317AA 5B                   pop         ebx  //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+4
00F317B1 3B EC                cmp         ebp,esp  //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
00F317B3 E8 8C FA FF FF       call        00F31244  
00F317B8 8B E5                mov         esp,ebp  
00F317BA 5D                   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。
00F317BB C3                   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
调用完Add函数，回到main函数的时候，继续往下执行，可以看到：

00F318F7 83 C4 08             add         esp,8  //esp直接+8，相当于跳过了main函数中压栈的a'和b'
00F318FA 89 45 E0             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。

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。

小知识：烫烫烫

#include
int main()
{
	char arr[10];
	printf("%s\n", arr);
	return 0;
}

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”。

4.写在最后

图片上的字比较小，小沐尽力了，请见谅！

那么今天的学习就到这里了。友友们觉得不错的可以给个关注，点赞或者收藏哦！感谢各位友友们的支持。以下的代码希望各位大佬们自行检验哦，毕竟亲手操作让记忆更加深刻。

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