【C语言】—— 函数栈帧的创建与销毁（详解）

 

目录

一、 基础知识掌握（针对本文）

1.寄存器的种类及功能

2. 汇编指令

二、简单了解内存管理和函数栈帧

三、初步了解main函数的函数栈帧创建

1.创建一个简单的代码

2.main函数的创建过程

​3.main函数的调用图解

四、main函数的栈前准备 

1.push压栈操作

2.mov指令

3.sub指令

4.push - ebx、esi、edi指令

5.led、mov、mov、rep stos指令

五、正式执行有效代码

1.局部变量的创建以及值的问题

2.函数是如何传参的

3.Add函数的函数栈帧创建

4.形参与实参之间的关系

5.函数是如何返回值的

1.pop出栈指令

2.函数值的返回

 六、总结

一、 基础知识掌握（针对本文）

1.寄存器的种类及功能

1.eax：累加寄存器，相对于其他寄存器，在运算方面比较常用。

2.ebx：基地址寄存器，作为内存偏移指针使用。

3.ecx：计数器，用于特定的技术。

4.edx：作为EAX的溢出寄存器，（除法产生的余数）。

5.esp：指针的寄存器，用于堆栈操作。又称为栈顶指针，堆栈的顶部是地址小的区域，压入堆栈的数据越多，esp也就越来越小。

                在32位平台上，esp每次减少4字节。
6.ebp：基址指针，指栈的栈底指针。

7.esi：在内存操作指令中作为“源地址指针”使用。

8.edi：在内存操作指令中作为“目的地址”使用。

2. 汇编指令

1.push 指令：入栈指令，将源操作数指定的字数据压入堆栈栈顶，在32位平台上，esp每次减少4字节。

2.mov 指令：将源操作数送至目的操作数。

3.pop 指令：出栈指令，将源操作数指定的字数据压入堆栈栈顶，在32位平台上，esp每次增加4字节。

4.jmp 指令：跳转至指定地址执行指令。

5.lea 指令：全称（Load effective address）,加载有效地址（偏移地址)至寄存器（如edi）。

6.call 指令：将程序的执行交给其他代码段，执行结束后会返回到call指令的下一行指令。

7.ret 指令：子程序的返回指令。

8.add 指令：加法指令。

9.sub 指令：减法指令。

10.rep 指令：重复前缀指令，不可独立使用

        形式：位于stos、lod、ins、outs等传送指令之前，如 rep stos dword ptr es:[edi] 

11.stos 指令：传输指令，可独立使用，它是将eax（寄存器）中的值传送到指定单元；

        例如：rep stos dword ptr es:[edi] ：将eax中的值拷贝到es:[edi]指向的地址

二、简单了解内存管理和函数栈帧

本次我们主要探讨栈区，函数在调用的过程中都是在栈区上开辟一块属于自己的空间的，这块空间是由两个寄存器esp和ebp来维护的，这块空间我们称为函数栈帧；

本篇文章主要探究以下几个问题：

1.局部变量是如何创建的？

2.为什么局部变量是随机值？

3.函数是如何传参的？

4.形参与实参之间的关系？

5.函数调用是如何进行的？

6.函数是如何返回值的？

编译器的选择： 尽量选低版本的编译器，高版本的编译器封装性比较好，难以看到效果；我选用的是VS2013

三、初步了解main函数的函数栈帧创建

1.创建一个简单的代码

在VS2013下创建如下代码，来对函数栈帧的创建和销毁进行演示

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#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;
}

 2.main函数的创建过程

 按F10进行代码调试，在菜单栏（调试）中找到调用堆栈，逐步走完mian函数（不需要进入Add函数），就会出现以下代码，虽然大部分我们都看不懂，但是我们对于函数的调用关系还是能够找出来的，看下图的具体分析；

 3.main函数的调用图解

 此时此刻栈区已经创建好__tmainCRTStartup函数的函数栈帧，为调用main函数做好准备了，同时有两个指针来维护这块空间（ebp-栈底指针 和 esp-栈顶指针）；

 接下来main函数开始调用，就需要在此基础上开辟空间，称为压栈；因为栈区的使用特点就是先使用高地址，再使用低地址；就好比盖楼房，先打地基，再一步一步的往上盖；

四、main函数的栈前准备 

不要眨眼，请仔细看接下来的操作： 

1.push压栈操作

00DE1410  push        ebp

重新调试，进入C语言的反汇编代码（在代码区直接右键鼠标就可以找到），此时是还没执行任何操的情况，从内存中我们获取到esp（栈顶指针）和ebp（栈底指针）的地址；

  

 执行push操作：push  ebp --- 将ebp压栈（把ebp放到已经创建好的函数栈帧上），此时esp会自动的去维护栈顶，那么相应的其地址也会发变小，上图中esp的地址是0x00cffb34，执行push后地址变为0x00cffb30。由下表可以看出ebp确实被压入栈中了，esp现在所指向的就是ebp；

 

 2.mov指令

00DE1411  mov         ebp,esp

move指令：是将源操作数复制到目的操作数中

此时ebp就指向了栈顶所指的位置

3.sub指令

00DE1413  sub         esp,0E4h 

sub指令---就是减法（将esp - 0E4h（16进制数））

当esp减去0E4h之后，地址变小了，将会指向上面的空间，此时esp和ebp维护的是紫色的空间，也就是为main函数预开辟的空间，main函数终于等到老弟（__tmainCRTStartup）的消息了，如图所示；

 ​​​​

 4.push - ebx、esi、edi指令

00DE1419  push        ebx  
00DE141A  push        esi  
00DE141B  push        edi  

这里对于ebx、esi、edi不做详细的解释，在本文最后会加以注释；

压栈压入3个元素后，esp的地址又变小了，也确实从下图可以看出这三个元素的的确确被压进去了，也许从刚才的几张图来看，不是很能理解为什么esp会自动，但是结合下图和前几张图来看，就很容易的理解了，本人的理解就是压一个元素就要esp来维护；

这三个元素在函数返回的时候会自动弹出去，切不要在这三个寄存器上多考虑；

 5.led、mov、mov、rep stos指令

00DE141C  lea         edi,[ebp-0E4h]  
00DE1422  mov         ecx,39h  
00DE1427  mov         eax,0CCCCCCCCh  
00DE142C  rep stos    dword ptr es:[edi] 

1.lea           edi,[ebp-0E4h] --- 加载有效地址：edi可以指向ebp - 0E4h这个位置

2. mov        ecx,39h --- 把39h这个值存放到ecx寄存器中

3.mov         eax,0CCCCCCCCh --- 把0CCCCCCCCh这个值存放到eax寄存器中

4.rep stos    dword ptr es:[edi] --- 从edi这个位置开始向下39h次个内容初始化为eax的内容（0CCCCCCCCh）

具体如下图所示：

五、正式执行有效代码

1.局部变量的创建以及值的问题

        局部变量的创建就是建立在栈帧已经创建好的基础上，去找到一些空间来存放这些局部变量，当局部变量未初始化时，里面默认的是0CCCCCCCCh这些值，所以就有了我们在编写代码时未初始化变量，导致打印出来是随机值；

        下图是局部变量在栈区中存放的位置，不是每个编译器都按照这种方式存储，有可能是紧挨着存储，也有可能随机存，但一定在已经开辟好的栈区空间中，这里数据的存储是小端存储，后续会给大家介绍数据的存储；

	int a = 10;
00DE142E  mov         dword ptr [ebp-8],0Ah  
	int b = 20;
00DE1435  mov         dword ptr [ebp-14h],14h  
	int c = 0;
00DE143C  mov         dword ptr [ebp-20h],0 

 2.函数是如何传参的

 下图中这几段代码是函数传参；可以看出，在传参时，先传b再传a；

 

 3.Add函数的函数栈帧创建

00DE13C0  push        ebp  
00DE13C1  mov         ebp,esp  
00DE13C3  sub         esp,0CCh  
00DE13C9  push        ebx  
00DE13CA  push        esi  
00DE13CB  push        edi  
00DE13CC  lea         edi,[ebp-0CCh]  
00DE13D2  mov         ecx,33h  
00DE13D7  mov         eax,0CCCCCCCCh  
00DE13DC  rep stos    dword ptr es:[edi]

这部分的代码和刚刚main函数创建的函数栈帧是一样的，这里就不一步一步的给大家解释了，仿照main函数的函数栈帧创建过程也能够画出下面的图解；

 4.形参与实参之间的关系​​​​​​​

        仔细观察下面的图，就可以发现，函数在传参的过程中是先将b的值存到eax这个寄存器里，然后压栈，把a的值存到exc这个寄存器里，然后压栈，在调用这些值进行运算的时候，是通过ebp加减的操作来获取这些值，并保存到eax寄存器里；而且变量x、y也没有在Add函数的栈帧中创建，通过ebp+8找到的值（可以理解为形参x）、ebp+12找到的值（可以理解为形参y），所以形参就是实参的一份临时拷贝，改变形参并不会影响实参；

 5.函数是如何返回值的

1.pop出栈指令

pop --- 出栈：当执行这个指令时，会将栈顶的元素弹出，并且esp（栈顶指针）会变大，也就是向高地址走  

00DE13F1  pop         edi  
00DE13F2  pop         esi  
00DE13F3  pop         ebx

 ret这个代码，是用来返回值的，刚才计算好的z是存放在eax这个寄存器中的，它是由寄存器带回给主函数的，虽然Add函数栈帧销毁了，但是算好的值已经被保存了下来；

当走到这一步，此时的esp和ebp就开始维护main函数的函数栈帧了

00DE13F4  mov         esp,ebp  
00DE13F6  pop         ebp  
00DE13F7  ret  

 上面的操作都是在执行call的指令（就是调用Add），因为对Add的地址进行压栈的，弹出之后也就能找到了Add的地址（存这个地址就是为了函数在返回时能够找到原来的位置）也就能够继续执行下面的程序了，如下图；

 2.函数值的返回

 下图是Add函数栈帧销毁后，返回值返回的操作

00DE144B  call        00DE10E1  
00DE1450  add         esp,8  
00DE1453  mov         dword ptr [ebp-20h],eax 

 六、总结

        以上是main函数创建及Add函数的创建和销毁，main函数的销毁就不往下画了，大致的步骤都是一样的，笔者也是花了一点时间一步一步的操作，注释。希望可以给大家带来帮助，不足之处希望大家指出。

        总的来说，细细的去感受函数栈帧，确实是挺快乐的，你会发现很多奇妙的事情。