函数栈帧的创建和销毁

本章主题:

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

一、什么是函数栈帧

        C语言是一门结构化语言,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带回的?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产生的其他临时变量)

                (3)保存上下文消息(包括在函数调用前后需要保持不变的寄存器)

二、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?

        答:只要理解了函数栈帧的创建和销毁,以下问题就能很好的理解:

                (1)局部变量是如何创建的?

                (2)为什么局部变量不初始化内容是随机的?

                (3)函数调用时参数是如何传递的?传参的顺序是怎样的?

                (4)形参是怎么访问的?

                (5)函数的返回值是如何带回的?

        让我们一起走进函数栈帧的创建和销毁的过程中。

三、函数栈帧的创建和销毁解析

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)。就像叠成一叠的书,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,栈总是向下增长的(由高地址向低地址)。

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

相关汇编命名:

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、解析函数栈帧的创建和销毁

(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:

函数栈帧的创建和销毁_第1张图片

3、函数栈帧的创建和销毁过程,在不同编译器上实现的方法大同小异,注重理解,本次演示我就以VS2019为例。 

(2)函数的调用堆栈

        代码演示:为了方便观察,把代码尽量详细。

#include

int Add(int x, int y)
{
	int sum = 0;
	sum = x + y;
	return sum;
}

int main()
{
	int a = 2;
	int b = 3;
	int ret = 0;
	ret = Add(a, b);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

        F10调试起来,调试进入Add函数后,我们观察堆栈(右击勾选【显示外部代码】),如下图:

函数栈帧的创建和销毁_第2张图片

        函数调用堆栈是反馈函数调用的逻辑,如图我们可以观察到,main函数也是被其他函数调用的,在main函数调用之前,是由invoke_main函数来调用main函数的。在invoke_main函数之前的函数调用我们就暂时不考虑了。

        我们可以确定。invoke_main函数会有自己的栈帧,main函数和Add函数也会有自己的栈帧,每一个函数栈帧都有自己的ebp和esp来维护栈帧空间。

(3) 那接下来我们从main函数的栈帧创建开始讲解:

        步骤一: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,我们可以修改选项,让汇编代码中排除一些编译器附加的代码:

        过程1:

函数栈帧的创建和销毁_第3张图片
 

        过程2:

函数栈帧的创建和销毁_第4张图片

        步骤二: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(再右击将显示名去掉——显示地址)。

        注:VS编译器每次调试都会为程序重新分配内存,每一次调试略有小异。

int main()
{

//函数栈帧的创建
00C71820  push        ebp  
00C71821  mov         ebp,esp  
00C71823  sub         esp,0E4h  
00C71829  push        ebx  
00C7182A  push        esi  
00C7182B  push        edi  
00C7182C  lea         edi,[ebp-24h]  
00C7182F  mov         ecx,9  
00C71834  mov         eax,0CCCCCCCCh  
00C71839  rep stos    dword ptr es:[edi]  

//main函数中的核心代码
    int a = 2;
00C7183B  mov         dword ptr [ebp-8],2  
    int b = 3;
00C71842  mov         dword ptr [ebp-14h],3  
    int ret = 0;
00C71849  mov         dword ptr [ebp-20h],0  
    ret = Add(a, b);
00C71850  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
00C71853  push        eax  
00C71854  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
00C71857  push        ecx  
00C71858  call        00C710B4  
00C7185D  add         esp,8  
00C71860  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
    printf("%d\n", ret);
00C71863  mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
00C71866  push        eax  
00C71867  push        0C77B30h  
00C7186C  call        00C710D2  
00C71871  add         esp,8  
    return 0;
00C71874  xor         eax,eax  
}

        main函数栈帧的创建

        这里我们看到main函数转化的汇编代码如上所示。

        接下来我们就一行一行拆解汇编代码:

int main()
{
00C71820  push        ebp  //push 压栈:把ebp寄存器中的值压栈,此时的ebp中存放的是invoke_main函数栈帧的ebp

函数栈帧的创建和销毁_第5张图片
00C71821  mov         ebp,esp  //mov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
00C71823  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。

00C71829  push        ebx  //将寄存器ebx的值压栈,esp-4
00C7182A  push        esi  //将寄存器esi的值压栈,esp-4
00C7182B  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。
函数栈帧的创建和销毁_第6张图片

//下面的代码是在初始化main函数的栈帧空间

00C7182C  lea         edi,[ebp-24h]  //1.把ebp-24h的地址,放到edi中
00C7182F  mov         ecx,9  //2.把9放到ecx中
00C71834  mov         eax,0CCCCCCCCh  //3.把0xcccccccc放在eax中
00C71839  rep stos    dword ptr es:[edi]  //将从ebp-24h​​到ebp这段的每个字节都初始化为0XCC
  
函数栈帧的创建和销毁_第7张图片

        上面这段代码最后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 ;
}

        接下来我们再分析main函数中的核心代码:

 int a = 2;
00C7183B  mov         dword ptr [ebp-8],2  //将2存储到ebp-8的地址处,ebp-8的位置其实就

是a变量

    int b = 3;
00C71842  mov         dword ptr [ebp-14h],3  //将3存储到ebp-14h的地址处,ebp-14h的位置

其实是b变量

    int ret = 0;
00C71849  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
函数栈帧的创建和销毁_第8张图片

//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

00C71850  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  //传递b,将ebp-14h处放的5放在eax寄存器

00C71853  push        eax  //将eax的值压栈,esp-4
00C71854  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  //传递a,将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中
00C71857  push        ecx  //将ecx的值压栈,esp-4

函数栈帧的创建和销毁_第9张图片

//跳转调用函数

00C71858  call        00C710B4  
00C7185D  add         esp,8  
00C71860  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
call指令是要执行函数调用逻辑的,1.压入返回地址(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。)   2.转入目标函数

 函数栈帧的创建和销毁_第10张图片

        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:

(4)Add函数栈帧的创建:

int Add(int x, int y)
{
00C71760  push        ebp  //push压栈:将main函数栈帧的ebp保存,esp-4
00C71761  mov         ebp,esp  //将main函数的esp赋值给新的的ebp,ebp现在是Add的ebp
00C71763  sub         esp,0CCh  //将esp-0xcc,求出Add函数的esp
00C71769  push        ebx  //将ebx的压栈,esp-4
00C7176A  push        esi  //将esi的值压栈,esp-4
00C7176B  push        edi  //将edi的值压栈,esp-4
    int sum = 0;
00C7176C  mov         dword ptr [ebp-8],0  //将0放在ebp-8的地址处,就是创建sum
    sum = x + y;
00C71773  mov         eax,dword ptr [ebp+8]  //将ebp+8地址处的值赋值给eax
00C71776  add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  //将ebp+12地址处的值加到eax中
00C71779  mov         dword ptr [ebp-8],eax  //将eax的值保存到ebp-8的地址处,就是放到z
    return sum;
00C7177C  mov         eax,dword ptr [ebp-8]  //将ebp-8的值赋值再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。
}
00C7177F  pop         edi  
00C71780  pop         esi  
00C71781  pop         ebx  
00C71782  mov         esp,ebp  
00C71784  pop         ebp  
00C71785  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寄存器的值压栈保存

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函数调用前压栈进去的参数,这就是形参访问。

5、返回值放在eax寄存器中准备带回(调用结束后,栈帧销毁所以把值放在寄存器中,寄存器是集成到CPU上的)。

函数栈帧的创建和销毁_第11张图片

        如图我们可以清楚的知道函数的传参过程,以及函数在进行值传递调用的时候,形参其实就是实参的一份拷贝。对形参的修改不会影响实参。

(5) 函数栈帧的销毁

        当函数调用要结束的时候,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。 

        Add函数栈帧的销毁:

00C7177F  pop         edi  //在栈顶弹出一个值,存放到edi中,esp+4
00C71780  pop         esi  //在栈顶弹出一个值,存放到esi中,esp+4
00C71781  pop         ebx  //在栈顶弹出一个值,存放到ebx中,esp+4
00C71782  mov         esp,ebp  //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
00C71784  pop         ebp  //弹出弹出栈顶的值,存放到ebp中,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main函数栈帧的栈顶。
00C71785  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。

函数栈帧的创建和销毁_第12张图片

        回到call指令的下一条指令的地方:(回到main函数)

00C7185D  add         esp,8  //esp+8,相当于跳过了main函数中压栈的a与b的形参
00C71860  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  //将eax中值,存储到ebp-0x20的地址处,其实就是存储到main函数中的ret变量中,而此时eax中就是Add函数中的返回值,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,去eax中读取返回值的。

函数栈帧的创建和销毁_第13张图片
    printf("%d\n", ret);
00C71863  mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
00C71866  push        eax  
00C71867  push        0C77B30h  
00C7186C  call        00C710D2  
00C71871  add         esp,8

        到这里给大家演示了main函数栈帧的创建,Add函数栈帧的创建和销毁的过程,相信大家观看后能基本了解函数的调用过程,函数传参的方式。

总结:

        1、局部变量是如何创建的?
        答:局部变量的创建是在局部变量所在函数栈帧中创建的。
        2、为什么局部变量不初始化内容是随机的?
        答:因为局部变量在栈区创建,而栈内存是反复使用的(不知道上次存储的是什么值)。所以我们一定要初始化变量。
        3、函数调用时参数是如何传递的?传参的顺序是怎样的?
        答:在函数调用之前编译器就将实参从右向左压栈压到主调函数的栈帧中。
        4、形参是怎么访问的?
        答:通过ebp中地址进行偏移访问到函数调用前压栈进去的参数。
        5、函数的返回值是如何带回的?
        答:返回对象是内置内类时,一般都是通过寄存器来带回返回值;返回对象如果是较大的对象时,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。
        6、临时空间的开辟,是在对应函数栈帧内部开辟的。
        7、函数调用完毕,栈帧结构被释放。
        8、临时变量具有临时性的本质:栈帧具有临时性。
        9、调用函数是有成本的,成本体现在时间和空间上,本质是形成和释放栈帧有成本。

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