C语言与函数栈帧
目录
函数栈帧
栈
函数栈帧的前置知识
相关寄存器
相关汇编指令
知识基础
函数栈帧基础剖析
main函数由其他函数调用
函数栈帧分析
反汇编
函数栈帧的创建
函数体
变量a的创建
变量b的创建
变量ret的创建
传参
函数调用
变量z的创建
执行加法
返回计算结果
函数栈帧销毁
总结
函数栈帧
在C语言中，程序是以函数为基本单位，而函数的调用、函数返回值的处理以及函数参数的传递等问题都与函数栈帧有关
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：
- 函数参数和函数返回值
- 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）
- 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）
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（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
函数栈帧的前置知识
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，在内存寻址时存放基地址
eip：指令寄存器，保存当前指令的下一条指令的地址
ebp：栈底寄存器
esp：栈顶寄存器寄存器ebp和esp：
esp寄存器全称为Extended Stack Pointer，中文名为扩展栈指针寄存器。它内存放着一个指针，该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶。
ebp寄存器全称为Extended Base Pointer，中文名为扩展基址指针寄存器。它内存放着一个指针，该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的底部。这两个寄存器在汇编语言中起到了重要的作用，尤其是在函数调用和参数传递过程中
相关汇编指令
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：将数据弹出并放置在对应寄存器中，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，压入返回地址并转入目标函数
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：加载有效地址知识基础
- 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。
- 函数栈帧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 - 内存中，上面是高地址，下面是低地址
本次为了演示和理解方便，将采用上面是低地址，上面是高地址
函数栈帧基础剖析
演示环境：编译器VS2013
演示代码：
#include
int Add(int x, int y)
{
int z = 0;
z = x + y;
return z;
}
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
int ret = 0;
ret = Add(a, b);
printf("%d\n", ret);
return 0;
} main函数由其他函数调用
main函数在编译器VS2013上由以下函数调用：
在VS2013中，main函数被__tmainCRTStartup()调用，对应main的返回值给一个名为mainret的变量
上述内容了解即可，在不同的编译器下调用可能不同，在下面的分析中不包括调用main函数的函数
函数栈帧分析
反汇编
首先，执行函数的调试，并转到反汇编
int main()
{
00091410 push ebp
00091411 mov ebp,esp
00091413 sub esp,0E4h
00091419 push ebx
0009141A push esi
0009141B push edi
0009141C lea edi,[ebp-0E4h]
00091422 mov ecx,39h
00091427 mov eax,0CCCCCCCCh
0009142C rep stos dword ptr es:[edi]
int a = 10;
0009142E mov dword ptr [a],0Ah
int b = 20;
00091435 mov dword ptr [b],14h
int ret = 0;
0009143C mov dword ptr [ret],0
ret = Add(a, b);
00091443 mov eax,dword ptr [b]
00091446 push eax
00091447 mov ecx,dword ptr [a]
0009144A push ecx
0009144B call _Add (0910E1h)
00091450 add esp,8
00091453 mov dword ptr [ret],eax
printf("%d\n", ret);
00091456 mov esi,esp
00091458 mov eax,dword ptr [ret]
0009145B push eax
0009145C push 95858h
00091461 call dword ptr ds:[99114h]
00091467 add esp,8
0009146A cmp esi,esp
0009146C call __RTC_CheckEsp (09113Bh)
//system("pause");
return 0;
00091471 xor eax,eax
}函数栈帧的创建
00091410 push ebp
00091411 mov ebp,esp
00091413 sub esp,0E4h
00091419 push ebx
0009141A push esi
0009141B push edi
0009141C lea edi,[ebp+FFFFFF1Ch]
00091422 mov ecx,39h
00091427 mov eax,0CCCCCCCCh
0009142C rep stos dword ptr es:[edi] 00F81410 push ebp
对于上述汇编指令来说，首先push表示压栈操作，压入ebp中的数据，并使esp指向栈低该位置，如下图所示
当前ebp和esp中的值：
00F81411 mov ebp,esp
接下来执行mov指令，该指令表示，将esp中的内容给ebp
对于上述两句汇编代码，VS2013的效果如下：
- 未执行
push指令之前ebp和esp中的值：
- 执行
push指令之后ebp和esp中的值：
观察到esp中的值被赋值到了ebp中
00F81413 sub esp,0E4h
接下来执行sub指令，sub指令代表相减，该指令表示将esp指令中的值减去0E4h（h为16进制后缀），如下图所示
当前ebp和esp中的值：
ebp的地址未改变，esp中的地址改变，即esp中的初始地址减去0E4h后的值
00F81419 push ebx
00F8141A push esi
00F8141B push edi
接下来的三条push指令，向esp指向的空间上方压入数据，并且esp要指向新的位置，如图所示
00F81419 push ebx
当前esp指向的地址空间中存储着ebx中的数值
00F8141A push esi
当前esp指向的地址空间中存储着esi中的数值
00F8141B push edi
当前esp指向的地址空间中存储着edi中的数值
注意每一次push操作相当于esp-4（减去双字节dword）
00F8141C lea edi,[ebp-0E4h]
接下来执行lea指令，lea指令表示加载有效地址，上述汇编代码中表示将ebp-0E4h的地址加载到edi中，因为刚才esp中所指的地址为ebp-0E4h，故ebp-0E4h则就是esp未压入edi、esi和ebx之前的地址
当前edi中的地址
对照初始时esp中的地址
当前的esp、esi、ebx和edi
当前esp、esi、ebx和edi的地址
00F81422 mov ecx,39h
00F81427 mov eax,0CCCCCCCCh
00F8142C rep stos dword ptr es:[edi]
接下来执行三条指令，代表从edi空间开始，每次增加4（dword），移动57（十六进制的39）行将该空间内容存入0cccccccch，一直到ebp所在地址
00F81422 mov ecx,39h
00F81427 mov eax,0CCCCCCCCh
00F8142C rep stos dword ptr es:[edi]
//当前的esp
0x00EFF8F4 0e 11 09 00
//当前的esi
0x00EFF8F8 0e 11 09 00
//当前的ebx
0x00EFF8FC 00 00 c0 00
//初始的edi
//总共57行，对应ecx中的39h行dword（cccc为word（两个字节类似short类型），cccccccc为dword（四个字节类似int类型），即）
0x00EFF900 cc cc cc cc
0x00EFF904 cc cc cc cc
0x00EFF908 cc cc cc cc
0x00EFF90C cc cc cc cc
0x00EFF910 cc cc cc cc
0x00EFF914 cc cc cc cc
0x00EFF918 cc cc cc cc
0x00EFF91C cc cc cc cc
0x00EFF920 cc cc cc cc
0x00EFF924 cc cc cc cc
0x00EFF928 cc cc cc cc
0x00EFF92C cc cc cc cc
0x00EFF930 cc cc cc cc
0x00EFF934 cc cc cc cc
0x00EFF938 cc cc cc cc
0x00EFF93C cc cc cc cc
0x00EFF940 cc cc cc cc
0x00EFF944 cc cc cc cc
0x00EFF948 cc cc cc cc
0x00EFF94C cc cc cc cc
0x00EFF950 cc cc cc cc
0x00EFF954 cc cc cc cc
0x00EFF958 cc cc cc cc
0x00EFF95C cc cc cc cc
0x00EFF960 cc cc cc cc
0x00EFF964 cc cc cc cc
0x00EFF968 cc cc cc cc
0x00EFF96C cc cc cc cc
0x00EFF970 cc cc cc cc
0x00EFF974 cc cc cc cc
0x00EFF978 cc cc cc cc
0x00EFF97C cc cc cc cc
0x00EFF980 cc cc cc cc
0x00EFF984 cc cc cc cc
0x00EFF988 cc cc cc cc
0x00EFF98C cc cc cc cc
0x00EFF990 cc cc cc cc
0x00EFF994 cc cc cc cc
0x00EFF998 cc cc cc cc
0x00EFF99C cc cc cc cc
0x00EFF9A0 cc cc cc cc
0x00EFF9A4 cc cc cc cc
0x00EFF9A8 cc cc cc cc
0x00EFF9AC cc cc cc cc
0x00EFF9B0 cc cc cc cc
0x00EFF9B4 cc cc cc cc
0x00EFF9B8 cc cc cc cc
0x00EFF9BC cc cc cc cc
0x00EFF9C0 cc cc cc cc
0x00EFF9C4 cc cc cc cc
0x00EFF9C8 cc cc cc cc
0x00EFF9CC cc cc cc cc
0x00EFF9D0 cc cc cc cc
0x00EFF9D4 cc cc cc cc
0x00EFF9D8 cc cc cc cc
0x00EFF9DC cc cc cc cc
0x00EFF9E0 cc cc cc cc
//当前的ebp
0x00EFF9E4 34 fa ef 00 
对照初始的edi
上述代码相当于下面C语言的代码
edi = ebp-0E4h;
ecx = 0x39;
eax = 0xCCCCCCCC;
for(; ecx = 0; --ecx,edi+=4)
{
*(int*)edi = eax;
}至此，main函数的函数栈帧空间创建完成，从esp空间开始一直到ebp为止的空间全为main函数的栈帧空间
函数体
//Add函数
int Add(int x, int y)
{
000913C0 push ebp
000913C1 mov ebp,esp
000913C3 sub esp,0CCh
000913C9 push ebx
000913CA push esi
000913CB push edi
000913CC lea edi,[ebp-0CCh]
000913D2 mov ecx,33h
000913D7 mov eax,0CCCCCCCCh
000913DC rep stos dword ptr es:[edi]
int z = 0;
000913DE mov dword ptr [z],0
z = x + y;
000913E5 mov eax,dword ptr [x]
000913E8 add eax,dword ptr [y]
000913EB mov dword ptr [z],eax
return z;
000913EE mov eax,dword ptr [z]
}
000913F1 pop edi
000913F2 pop esi
000913F3 pop ebx
000913F4 mov esp,ebp
000913F6 pop ebp
000913F7 ret
//main函数
int a = 10;
0009142E mov dword ptr [ebp-8],0Ah
int b = 20;
00091435 mov dword ptr [ebp-14h],14h
int ret = 0;
0009143C mov dword ptr [ebp-20h],0
ret = Add(a, b);
00091443 mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00091446 push eax
00091447 mov ecx,dword ptr [ebp-8]
0009144A push ecx
0009144B call 000910E1
00091450 add esp,8
00091453 mov dword ptr [ebp-20h],eax 观察变量的创建时，关闭“显示符号名”
变量a的创建
int a = 10;
0009142E mov dword ptr [ebp-8],0Ah
执行mov指令，将0Ah值放到地址ebp-8处
当前ebp中的地址为：
两次减4到新地址，并将该地址上的值从0xcccccccc修改为0x0000000a（注意小端存储）
变量b的创建
int b = 20;
00091435 mov dword ptr [ebp-14h],14h
接下来执行mov指令，将14h值放到ebp-14h（即ebp-20）地址处
当前ebp中的地址为：
5次减4到新地址，并将该地址上的值从0xcccccccc修改为0x00000014（注意小端存储）
变量ret的创建
int ret = 0;
0009143C mov dword ptr [ebp-20h],0
接下来执行mov指令，将数值0放置到ebp-20h（ebp-32）的地址上
当前ebp中的地址为：
8次减4到新地址，并将该地址上的值从0xcccccccc修改为0x00000000（注意小端存储）
至此所有main函数中的局部变量全部创建完成，如下图所示：
传参
在调用函数之前，需要压栈进行传参操作
00091443 mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00091446 push eax
00091447 mov ecx,dword ptr [ebp-8]
0009144A push ecx 00091443 mov eax,dword ptr [ebp-14h]
执行mov指令，将ebp-14h地址上的值给eax，因为ebp-14h为变量b所在的地址，即将b的值给eax
00091446 push eax
接下来执行push指令，将eax值压入栈顶，并使esp指针指向该位置
执行push之后的esp地址：
对照push执行之前的esp的地址：
00091447 mov ecx,dword ptr [ebp-8]
接下来执行mov指令，将ebp-8地址上的数据，即变量a中的值给ecx
0009144A push ecx
接下来执行push指令，将ecx值压入栈顶，并使esp指针指向该位置
执行push之后的esp地址：
对照push执行之前的esp的地址：
函数调用
0009144B call 000910E1
00091450 add esp,8
00091453 mov dword ptr [ebp-20h],eax 首先执行call指令，进行函数调用，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
执行call指令后的esp的地址和值：
对照未执行call指令之前esp的地址：
//Add函数跳转
_Add:
000910E1 jmp 000913C0
//Add函数体
int Add(int x, int y)
{
000913C0 push ebp
000913C1 mov ebp,esp
000913C3 sub esp,0CCh
000913C9 push ebx
000913CA push esi
000913CB push edi
000913CC lea edi,[ebp-0CCh]
000913D2 mov ecx,33h
000913D7 mov eax,0CCCCCCCCh
000913DC rep stos dword ptr es:[edi]
int z = 0;
000913DE mov dword ptr [z],0
z = x + y;
000913E5 mov eax,dword ptr [x]
000913E8 add eax,dword ptr [y]
000913EB mov dword ptr [z],eax
return z;
000913EE mov eax,dword ptr [z]
}
000913F1 pop edi
000913F2 pop esi
000913F3 pop ebx
000913F4 mov esp,ebp
000913F6 pop ebp
000913F7 ret 000910E1 jmp 000913C0
执行jmp指令，跳转到指定函数位置
进入Add函数后，依旧先要开辟函数栈帧空间
000913C0 push ebp
000913C1 mov ebp,esp
000913C3 sub esp,0CCh
000913C9 push ebx
000913CA push esi
000913CB push edi
000913CC lea edi,[ebp-0CCh]
000913D2 mov ecx,33h
000913D7 mov eax,0CCCCCCCCh
000913DC rep stos dword ptr es:[edi] 000913C0 push ebp
000913C1 mov ebp,esp
移动esp和ebp地址，使其开始维护Add函数的栈帧空间
后面的操作与main函数相同，不再重复介绍
栈帧空间开辟结果图
//当前的esp
0x00EFF80C e4 f9 ef 00
//当前的esi
0x00EFF810 0e 11 09 00
//当前的ebx
0x00EFF814 00 00 c0 00
//初始位置的edi
//33h（十进制下的51）行初始化为0xcccccccc
0x00EFF818 cc cc cc cc
0x00EFF81C cc cc cc cc
0x00EFF820 cc cc cc cc
0x00EFF824 cc cc cc cc
0x00EFF828 cc cc cc cc
0x00EFF82C cc cc cc cc
0x00EFF830 cc cc cc cc
0x00EFF834 cc cc cc cc
0x00EFF838 cc cc cc cc
0x00EFF83C cc cc cc cc
0x00EFF840 cc cc cc cc
0x00EFF844 cc cc cc cc
0x00EFF848 cc cc cc cc
0x00EFF84C cc cc cc cc
0x00EFF850 cc cc cc cc
0x00EFF854 cc cc cc cc
0x00EFF858 cc cc cc cc
0x00EFF85C cc cc cc cc
0x00EFF860 cc cc cc cc
0x00EFF864 cc cc cc cc
0x00EFF868 cc cc cc cc
0x00EFF86C cc cc cc cc
0x00EFF870 cc cc cc cc
0x00EFF874 cc cc cc cc
0x00EFF878 cc cc cc cc
0x00EFF87C cc cc cc cc
0x00EFF880 cc cc cc cc
0x00EFF884 cc cc cc cc
0x00EFF888 cc cc cc cc
0x00EFF88C cc cc cc cc
0x00EFF890 cc cc cc cc
0x00EFF894 cc cc cc cc
0x00EFF898 cc cc cc cc
0x00EFF89C cc cc cc cc
0x00EFF8A0 cc cc cc cc
0x00EFF8A4 cc cc cc cc
0x00EFF8A8 cc cc cc cc
0x00EFF8AC cc cc cc cc
0x00EFF8B0 cc cc cc cc
0x00EFF8B4 cc cc cc cc
0x00EFF8B8 cc cc cc cc
0x00EFF8BC cc cc cc cc
0x00EFF8C0 cc cc cc cc
0x00EFF8C4 cc cc cc cc
0x00EFF8C8 cc cc cc cc
0x00EFF8CC cc cc cc cc
0x00EFF8D0 cc cc cc cc
0x00EFF8D4 cc cc cc cc
0x00EFF8D8 cc cc cc cc
0x00EFF8DC cc cc cc cc
0x00EFF8E0 cc cc cc cc
//当前的ebp
0x00EFF8E4 e4 f9 ef 00 变量z的创建
int z = 0;
000913DE mov dword ptr [ebp-8],0
执行过程与main函数相同，不再介绍，结果如图
执行加法
z = x + y;
000913E5 mov eax,dword ptr [ebp+8]
000913E8 add eax,dword ptr [ebp+0Ch]
000913EB mov dword ptr [ebp-8],eax
接下来执行z = x + y，首先执行mov指令，将ebp+8位置的值放到eax寄存器中，如下图所示
再执行add指令，将ebp+0ch（即ebp+12）位置的值与eax中的值相加放置到eax中
执行完add指令后eax当前值为30
最后执行mov指令，将eax中的值移动到ebp-8（即变量z）的地址处
返回计算结果
return z;
000913EE mov eax,dword ptr [ebp-8]
执行mov指令，将ebp-8处的值放到eax中
函数栈帧销毁
000913F1 pop edi
000913F2 pop esi
000913F3 pop ebx
000913F4 mov esp,ebp
000913F6 pop ebp
000913F7 ret 000913F1 pop edi
000913F2 pop esi
000913F3 pop ebx
执行三次pop指令，依次使edi、esi、ebx出栈，同时使esp指针指向ebp-0CCh位置处
000913F4 mov esp,ebp
接下来执行mov指令，将初始的ebp地址给esp，使函数栈帧空间释放
初始时esp和ebp的地址
执行mov指令后的esp和ebp的地址
000913F6 pop ebp
接下来执行pop指令，使开始push的ebp出栈，并且移动ebp至main函数的ebp位置
000913F7 ret
最后执行ret指令，将ebp当前地址0x00091450存入寄存器eip中，并使esp指针向下移动双字节，并且此时Add函数中所有的局部变量将销毁
00091450 add esp,8
接下来执行main函数中call指令的下一条指令，即地址0x00091450对应的指令
执行add指令，将8加至esp中并使esp移动到main函数的栈顶
00091453 mov dword ptr [ebp-20h],eax
执行mov指令，将eax的值给地址ebp-20h（即变量ret）
接着main函数继续执行，直到结尾函数栈帧销毁
返回对象是内置类型时，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
总结
通过简单分析main函数和Add函数之间的栈帧空间开辟以及相互之间的调用，了解到下面几点：
- 任何函数在执行正式代码之前都需要进行函数栈帧的空间开辟，而函数栈帧的开辟涉及到
esp栈顶指针和ebp栈低指针，这两个指针负责维护二者范围内函数栈帧空间，在此过程中，空间中的内容会被赋值为0xcccccccc，导致未赋初始值的变量为随机值 - 函数局部变量的开辟是通过栈低指针进行地址运算为不同的变量开辟空间
- 在函数调用过程中，后面的函数参数会被先压栈，再者就是前一个变量，并且形参压栈比调用的函数的栈帧空间开辟的时间要早，由全新的一块空间负责存储调用函数时传入的实参的值，所以在函数中改变形参不会影响实参，因为形参和实参是两块不同的空间。最后在调用的函数的栈帧空间销毁时，先销毁调用的函数的栈帧空间，再通过
esp指针移动从而销毁形参 - 在调用的函数返回值时，并不是变量将该值带回，而是通过寄存器存储值，将值返回给调用函数的函数接收