【函数栈帧解析：代码的迷人堆积和无限嵌套】

本章重点

一、何为函数栈帧

二、函数栈帧特性 - 同栈 - 后进先出

三、认识内存空间布局图

四、认识相关寄存器

五、认识相关汇编命令

六、测试代码：

七、函数栈帧全过程

要解决的问题​​​​​​​

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

一、何为函数栈帧

        函数栈帧（Function Stack Frame），也被称为调用栈帧（Call Stack Frame），是在计算机程序中用于管理函数调用和执行的一种数据结构。每当函数被调用时，都会创建一个新的函数栈帧，用于存储该函数的局部变量、参数、返回地址和其他执行相关的信息。当函数执行完毕或返回时，相应的函数栈帧将被销毁，控制权回到上一个函数的栈帧中。

二、函数栈帧特性 - 同栈 - 后进先出

        函数栈帧的管理遵循一种后进先出（Last-In, First-Out，LIFO）的原则。这意味着最后调用的函数的栈帧会首先被执行，然后在函数返回时销毁，程序控制权回到上一个函数的栈帧中，以此类推，直到回到主程序的栈帧，整个程序执行完毕。

三、认识内存空间布局图

1. 栈（Stack）：

   • 栈是一种线性数据结构，用于存储函数调用时的局部变量、函数参数以及函数调用的返回地址。
   • 栈内存是有限的，以栈帧的方式分配和释放，遵循后进先出（Last-In, First-Out，LIFO）原则。
   • 栈内存的生命周期与函数调用关联，当函数返回时，其栈帧上的数据会被销毁。

2. 堆（Heap）：

   • 堆是一块较大的、动态分配的内存区域，用于存储程序运行时动态分配的数据，如动态分配的对象和数组。
   • 堆内存的生命周期不受函数调用的影响，需要手动分配和释放，否则可能导致内存泄漏。
   • 在C中，通常使用malloc()、calloc()和realloc()等函数来分配堆内存，使用free()来释放堆内存。

3. 全局变量区（Global Variables）：

   • 全局变量区存储程序中的全局变量，这些变量在整个程序的生命周期内都可访问。
   • 全局变量在程序启动时被分配，在程序结束时被释放。

4. 常量区（Constants）：

   • 常量区存储常量数据，如字符串文字和全局常量。
   • 这些数据在程序运行期间是只读的。

5. 代码区（Code）：

   • 代码区存储程序的二进制代码，包括所有函数的机器代码。
   • 代码区通常是只读的，不允许修改程序代码。

四、认识相关寄存器

• 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

注：ebp和esp主要用于维护当前存在的这个函数栈帧。

问：函数是被调用的，那main函数呢？？？它是谁调用的？？？

        在VS2013，main函数也是被其他函数调用的，该函数是_tmainCRTStartup，而该函数又是mainCRTStartup函数调用的，而mainCRTStartup函数则是由操作系统调用的。所以从编程者的角度来看，main函数似乎是程序的入口点，但实际上，在特定的编程环境中，它是由启动代码调用的。这些启动代码负责设置程序环境并确保main函数能够正确执行。

五、认识相关汇编命令

• 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
• lea：将表达式addr的值放入寄存器

六、测试代码：

#include
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;
}

七、函数栈帧全过程

1.ebp寄存器push压栈，同时esp栈顶寄存器地址值改变 - 变小

2.ebp寄存器数据转移到esp寄存器

3.0E4h的十进制是288，sub减法指令，此时开始创建main函数栈帧，main函数此时空间大小就是ebp寄存器-esp寄存器的差 = 0E4h

4.ebx寄存器，esi寄存器和edi寄存器push压栈，同时esp栈顶寄存器地址值改变 - 变小

5. 将表达式ebp-24h的值放入edi寄存器

6.word一个字两个字节，dword表示双字四个字节，刚好表示一个整型变量的大小。move将表达式9移入到ecx寄存器中，代表重复的次数，move将表达式CCCCCCCCh移入eax寄存器中，代表数值。rep stos就是重复执行stos指令，stos指令将eax中的值拷贝到ES:EDI指向的地址，所以这串指令就是在main函数中找到9个连续的4字节空间，将其值设置为CCCCCCCCh。

7.局部变量a，b，c开始创建，并进行初始化

8.函数传参过程，传参过程仍然是在main函数，且传参的过程是从右到左，先传y，后传x。

9.call函数调用，1. 压入返回地址 00682297，方便函数调用后返回到main函数栈帧，2. 转入目标Add函数

10.Add函数栈帧形成，这个过程同mian函数栈帧形成的过程相同，唯一的区别是在Add函数中找到3个连续的4字节空间，将其值设置为CCCCCCCCh。

11.变量z创建，并被初始化为0.

12.将地址为ebp+8放到eax寄存器中，然后在将ebp+14h的值与eax寄存器之前存放的值相加放到eax寄存器中，再将eax寄存器的值放到ebp-8处，也就是z变量地址处。

13.将运算的结果放到寄存器中，由于变量z是局部变量，出了函数作用域就会被销毁，为了能顺利带回返回值，利用寄存器不会被销毁的特点，将运算的结果放到eax寄存器。

14.pop数据弹出至指定位置，同时esp栈顶寄存器也要发生改变，Add函数栈帧被释放。

15.ret是恢复返回地址，找到call指令压入的地址，返回到main函数栈帧。

16.局部变量被销毁，变量c接收返回值

17.后面就是main函数的栈帧销毁过程，同Add函数相同

要解决的问题​​​​​​​

• 局部变量是怎么创建的？

        在栈帧中，会分配一块内存空间来存储函数的局部变量。这些局部变量是在函数内部定义的，只在函数的生命周期内可见。编译器会根据函数的局部变量声明来确定需要分配多少内存空间。

• 为什么局部变量的值是随机值？

        局部变量的值可能会被认为是随机的主要是因为在栈帧创建过程中，这些变量并没有经过显式的初始化。当函数栈帧被分配内存并为局部变量分配空间时，这些变量的内容实际上是未定义的，vs编译器会自动为其初始化为0xcccccc。

• 函数是怎么传参的？传参的顺序是怎么样的？

函数传参的过程，形参的实例化并不在新的函数栈帧内，而是在调用一方函数栈帧内实例化的，当该函数要使用该形参的时候，是通过地址的方法去寻找该形参变量，传参的顺序是从右到左。

• 形参和实参是什么关系？

        当调用一个函数时，实参的值被传递给函数的形参。这发生在函数的栈帧创建阶段。形参在函数内部被视为局部变量，并且其值被初始化为相应的实参值。但是实参的地址和形参的地址是不同的，所以形参只是实参的一份临时拷贝，修改形参是不能改变实参的。

• 函数调用是怎么做的？

        函数栈帧通过call指令先1. 压入返回地址 ，也就是调用完函数后要执行的下一条指令，然后call通过jump转入目标函数，待函数使用完，ret指令会找到call指令压入的地址值，通过这个值返回到main函数的栈帧，即调用完函数要执行的下一条指令。

• 函数调用结束后怎么返回的？

        利用寄存器的值不会随着函数栈帧被销毁而被销毁的特点，利用寄存器将值返回。

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