探究栈帧的奥妙

目录

探究栈帧的奥妙

引言

浅浅说一下栈

问问自己几个问题

什么是栈帧

栈帧的维护

汇编预备知识

小例子

访问栈帧里的数据

例子

栈帧是如何切换的

栈帧是如何处理参数和返回值的

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探究栈帧的奥妙

作者申明：

文中有些名词可能不太官方，大部分是作者自己的理解，只是为了方便理解，所以用了一些不太专业的词汇，如果有错误，欢迎各位佬指正！

引言

本文我们要讲解的是栈帧，为了较好的引入它，本文使用的C语言函数作为载体，默认看文章的大家C语言函数的基本使用都没有问题啊，如何检测自己的C语言有没有问题呢？可以看看下面的代码，如何还行的话，那表示这篇文章对你是大有帮助的(只要不是太小白都可以的)。注意：需要读者知道内存分配栈区的概念！这很重要

#include 
​
int Add(int x, int y)
{
    int sum = x + y;
    return sum;
}
​
int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    int sum = Add(a, b);
    printf("sum=%d\n", sum);
    
    return 0;
}

十分简单的一段程序对吧，OK，那么现在就以这一小段函数为例来讲解一下栈帧

浅浅说一下栈

使用的内存是有分区的：

• OS区

• 栈区

• 堆区

• 全局区

• 共享区

• 代码区

• 数据区

针对本文，只需了解栈区即可，我们分配的空间是有地址的，地址是有大小的，而栈区的特点是从高地址向低地址开始分配内存，即对于栈区来说，高地址是栈底，低地址是栈顶

堆栈相对而生，箭头是资源申请的方向

如图

问问自己几个问题

• 函数是如何调用的

• 参数是如何传入的

• 函数是如何返回的

• 函数返回后是怎么找到之前调用的地方的

如何你能回答上来，那么你的高度可能在这篇文之上，回答不上来，相信看了这篇文章就可以回答上来了，哈哈哈

什么是栈帧

在我们进行函数调用的时候，编译器都会在栈区为这个函数维护一个栈帧，即每一个函数对应着一个栈帧，这是概念，那么我们通俗的来讲讲什么事栈帧。首先明确一点，我们在进行变量创建的时候，编译器是给这个变量分配了对应的虚拟内存的，即创建变量时，需要一定的开销，而这个开销一部分就是体现在内存占用上，那么回到函数调用这里来，和创建变量类似，函数也是一个类型，在进行调用的时候同样也需要一定的内存开销，这个函数占用的内存空间就是这个函数的栈帧，即栈帧=占用内存。

栈帧的维护

介绍了什么是栈帧，系统是如何来得知这个函数的栈帧大小和所在栈区的位置呢，系统使用了两个寄存器来维护栈帧的范围：

• EBP(extended base pointer) 基址指针寄存器，存放当前栈帧的底部地址

• ESP(extended stack pointer) 栈指针寄存器，存放当前栈帧的顶部地址

注意：这两个寄存器的内容是动态变化的，同一时刻只会调用一个函数，即同一时刻只会一一个栈帧，用上面的例子来看，最开始是调用的main函数，此时ebp和esp里面存放的就是main函数的栈帧，之后调用了Add函数，这时ebp和esp里面存放的是Add函数的栈帧，Add返回main后，esp和esp又重新开始维护main函数的栈帧。

这里有几个细节，栈帧是如何创建的，ebp和esp在main和Add之间切换栈帧的时候，如何切换的，ebp和esp又是如何再一次的维护main栈帧的，这些都是值得探讨的问题。

汇编预备知识

• mov：eax, ebx 将ebx的值赋值给eax

• push：xxx 将xxx压入栈，esp-4

• pop：xxx 将栈顶元素出栈，写入xxx，再让esp+4

• call：函数名 将IP旧值压栈保存(栈顶低地址处)，设置IP新值，新函数的指令执行地址

• ret：从函数的栈帧顶部找到IP旧值，将其出栈并恢复IP寄存器

补充：IP寄存器存放的是程序下一次要执行的指令的地址

小例子

push eax:#将寄存器eax的值压栈
push 985:#将立即数985压栈
push [ebp+8]:#将主存地址[ebp+8]里的数据压栈
    
pop eax:#栈顶元素出栈，写入寄存器eax
pop [ebp+8]:#栈顶元素出栈，写入主存地址[ebp+8]

访问栈帧里的数据

我们知道esp&ebp分别指向栈顶和栈底，那么我们可以直接通过mov指令来访问栈帧里面的数据，只需有esp和ebp分别+/-就可以获得栈帧中的地址

例子

sub esp,12  #栈顶指针-12
mov [esp+8],eax #将eax的值复制到主存[esp+8]

栈帧是如何切换的

这里要探讨的问题是，栈帧是如何切换的，也就是如何从main函数突然就执行Add函数的

main:
push ebp
mov ebp,esp
...... #省略不重要的部分
call Add #将当前IP值压栈，重新设置IP值
......
​
Add:
push ebp     #把ebp的值压栈到栈顶
mov ebp,esp  #将esp的值复制给ebp  这两个指令等价于enter指令
......
leave        #等价于 mov esp, ebp \ pop ebp
ret

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

int main()
{
    int x = 10;
    int y = 20;

    add(x, y);

    return 0;
}

当执行add(x, y)时，底层汇编翻译的指令是

call add

当add即将返回时，底层汇编翻译的指令是

leave

ret

上面main和add的栈帧切换，当执行call add的时候，会先将当前的IP寄存器的值压入栈帧，然后再设置IP的值，使其下一次执行的指令跳到add函数栈帧中，再将main函数栈帧的ebp寄存器值压入栈帧，再将esp的值复制给ebp，再依次执行add函数体中指令，就完成了栈帧切换。

add函数执行完后，会执行leave指令将ebp的值复制给esp，然后在Pop ebp，即将栈顶元素出栈，再将其出栈的内容复制给ebp，而这里的内容刚好是main函数栈帧的基地址，然后再执行ret指令将IP的值恢复到原来的值，这样就完成了栈帧的切换。

栈帧是如何处理参数和返回值的

返回值处理，一般返回值只有一个，所以处理的时候，一般是用一个通用寄存器(eax)来临时记录一下值，然后再复值给需要的变量。

将栈帧划分为几个区域，分别负责存放函数中的局部变量，函数体的指令，函数的参数