前言:我们在写C语言代码的时候,经常会把一个独立的功能抽象为函数,以供main函数调用。所以C程序是以函数为基本单位的。表面来看调用的过程就是写出一个函数后,只需要在调用时中通过函数名将实参传给形参就实现了整个过程,但实际上调用的过程远比你想的复杂,函数是如何调用的?函数的返回值又是如何运作的?函数参数是如何传递的?这些问题都离不开函数栈帧在其中扮演着的关键作用。
目录
- 1. 什么是函数栈帧
- 2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢?
- 3. 函数栈帧的创建和销毁解析
- 3.1 什么是栈?
- 3.2 认识相关寄存器和汇编指令
- 3.3 解析函数栈帧的创建和销毁
- 3.3.1 预备知识
- 3.3.2 函数的调用堆栈
- 3.3.3 准备环境
- 3.3.4 转到反汇编
- 3.3.5 函数栈帧的创建
- 3.3.6 Add函数栈帧的创建
- 3.3.7 函数栈帧的销毁
- 3.3.8 函数栈帧相关问题解答
1. 什么是函数栈帧
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)。
区域 | 作用 |
---|---|
栈区(stack) | 由编译器自动分配和释放,存放函数的参数值 ,局部变量 的值等。操作方式类似与数据结构中的栈 |
堆区(heap) | 如动态内存开辟函数 malloc 等,一般由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时可能由操作系统回收。与数据结构中的堆是两码事,分配方式类似于链表 |
静态区(static) | 全局变量 和静态变量 存放于此 |
文字常量区 | 常量字符串 放在此,程序结束后由系统释放 |
程序代码区 | 存放函数体的二进制 代码 |
2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢?
比如说以下问题就能够很好的理解了:
- 局部变量是如何创建的?
- 为什么局部变量不初始化内容是随机的?
- 函数调用时参数时如何传递的?传参的顺序是怎样的?
- 函数的形参和实参的关系?
- 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世界里吧!
3. 函数栈帧的创建和销毁解析
3.1 什么是栈?
- 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)。和数据结构中栈的使用规则相似。
- 在计算机系统中,栈帧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。栈区总是先使用高地址,再使用低地址。- 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。
3.2 认识相关寄存器和汇编指令
在了解函数调用栈帧之前,我们先来认识几个寄存器(寄存器是集成在CPU上的,区别于内存):
寄存器名称 | 作用 |
---|---|
eax | 累加(Accumulator)寄存器,保留临时数据,常用于函数返回值 |
ebx | 基址(Base)寄存器,保留临时数据,以它为基址访问内存 |
ecx | 计数器(Counter)寄存器,常用作字符串和循环操作中的计数器 |
edx | 数据(Data)寄存器,常用于乘除法和I/O指针 |
esi | 源变址寄存器 |
dsi | 目的变址寄存器 |
esp | 堆栈(Stack)指针寄存器,指向堆栈顶部 |
ebp | 基址指针寄存器,指向当前堆栈底部 |
eip | 指令寄存器,指向下一条指令 的地址 |
汇编指令 | 用途 |
---|---|
mov | mov A,B 将数据B移动到A |
push | 压栈(入栈),同时esp栈顶寄存器也要发生改变 |
pop | 出栈到指定位置,同时esp栈顶寄存器也要发生改变 |
call | 函数调用 |
add | 加法 |
sub | 减法 |
rep | 重复 |
lea | (load effective address)加载有效地址 |
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 |
3.3 解析函数栈帧的创建和销毁
3.3.1 预备知识
- 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。
- 这块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。
- 函数栈帧的创建和销毁过程,在不同的编译器上实现的方法大同小异,本次演示以VS2019为例。
3.3.2 函数的调用堆栈
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;}
调试后,我们就可以观察到函数的调用堆栈(右击勾选【显示外部代码】),
函数调用堆栈是反馈函数调用逻辑的,那我们可以清晰的观察到, main
函数调用之前,是由
invoke_main
函数来调用main函数。
我们顺着堆栈帧列表依次点击,可以看到在main函数调用之前有更多的函数套娃调用。比如下图,return 0
就被返回到这里了。
在本期探讨中,在 invoke_main
函数之前的函数调用我们就暂时不考虑了。
那我们可以确定, invoke_main
函数应该会有自己的栈帧, main
函数和 Add
函数也会维护自己的栈
帧,每个函数栈帧都有自己的 ebp
和 esp
来维护栈帧空间。
那接下来我们从main函数的栈帧创建开始讲解:
3.3.3 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,我们可以关闭下面的选项,让汇编代码中排
除一些编译器附加的代码:
3.3.4 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。
注:VS编译器每次调试都会为程序重新分配内存,因此每次运行结果都会有差异。
int main(){//函数栈帧的创建00651820pushebp00651821mov ebp,esp00651823sub esp,0E4h00651829pushebx0065182Apushesi0065182Bpushedi0065182Clea edi,[ebp-24h]0065182Fmov ecx,900651834mov eax,0CCCCCCCCh00651839rep stosdword ptr es:[edi]//main函数的核心代码int a = 10;0065183Bmov dword ptr [ebp-8],0Ahint b = 20;00651842mov dword ptr [ebp-14h],14hint ret = 0;00651849mov dword ptr [ebp-20h],0ret = Add(a, b);00651850mov eax,dword ptr [ebp-14h]00651853pusheax00651854mov ecx,dword ptr [ebp-8]00651857pushecx00651858call006510B40065185Dadd esp,800651860mov dword ptr [ebp-20h],eaxprintf("%d\n", ret);00651863mov eax,dword ptr [ebp-20h]00651866pusheax00651867push657B30h0065186Ccall006510D200651871add esp,8return 0;00651874xor eax,eax}
main
函数转化来的汇编代码如上所示。
3.3.5 函数栈帧的创建
接下来我们一行行拆解汇编代码
00651820pushebp//把ebp寄存器中的值进行压栈,此时的ebp中存放的是invoke_main函数栈帧的ebp,esp-4
00651821mov ebp,espmove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
00651823sub 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,临时数据已经调试信息等。
00651829pushebx//将寄存器ebx的值压栈,esp-40065182Apushesi//将寄存器esi的值压栈,esp-40065182Bpushedi//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。
下面的代码是在初始化main函数的栈帧空间。
先把ebp-24h的地址,放在edi中
把9放在ecx中
把0xCCCCCCCCh放在eax中
将从edi到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为0xCC,同时把ebp赋值给edi。
0065182Clea edi,[ebp-24h]0065182Fmov ecx,900651834mov eax,0CCCCCCCCh00651839rep stosdword ptr es:[edi]//dword)(4个字节)
上面这4句代码,等价于下面的伪代码:
edi = ebp-0x24;ecx = 9;eax = 0xCCCCCCCCh;for(; ecx = 0; --ecx,edi+=4){*(int*)edi = eax;}
完整过程:
小知识:烫烫烫~
之所以上面的程序输出“烫”这么一个奇怪的字,是因为main函数调用时,在栈区开辟的空间的其中每一
个字节都被初始化为0xCC,而arr数组是一个未初始化的数组,恰好在这块空间上创建的,0xCCCC(两
个连续排列的0xCC)的汉字编码就是“烫”,所以0xCCCC被当作文本就是“烫”。
接下来我们再分析main函数中的核心代码:
int a = 10;0065183Bmov dword ptr [ebp-8],0Ah //将10存储到ebp-8的地址处,ebp-8的位置其实就是a变量int b = 20;00651842mov dword ptr [ebp-14h],14h//将20存储到ebp-14h的地址处,ebp-14h的位置其实是b变量int ret = 0;00651849mov 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。
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00651850mov eax,dword ptr [ebp-14h] //传递b,将ebp-14h处放的20放在eax寄存器中 00651853pusheax//将eax的值压栈,esp-400651854mov ecx,dword ptr [ebp-8]//传递a,将ebp-8处放的10放在ecx寄存器中00651857pushecx//将ecx的值压栈,esp-4//跳转调用函数00651858call006510B4//按F11进入0065185Dadd esp,800651860mov dword ptr [ebp-20h],eax
call 指令是要执行函数调用逻辑的,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。
3.3.6 Add函数栈帧的创建
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。
int Add(int x, int y){00BE1760push ebp//将main函数栈帧的ebp保存,esp-400BE1761mov ebp,esp //将main函数的esp赋值给新的ebp,ebp现在是Add函数的ebp00BE1763sub esp,0CCh //给esp-0xCC,求出Add函数的esp00BE1769push ebx //将ebx的值压栈,esp-400BE176Apush esi //将esi的值压栈,esp-400BE176Bpush edi //将edi的值压栈,esp-4int z = 0; 00BE176Cmov dword ptr [ebp-8],0 //将0放在ebp-8的地址处,其实就是创建zz = x + y;//接下来计算的是x+y,结果保存到z中00BE1773mov eax,dword ptr [ebp+8] //将ebp+8地址处的数字存储到eax中00BE1776add eax,dword ptr [ebp+0Ch] //将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中00BE1779mov dword ptr [ebp-8],eax //将eax的结果保存到ebp-8的地址处,其实就是放到z中return z;00BE177Cmov eax,dword ptr [ebp-8] //将ebp-8地址处的值放在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。}00BE177Fpop edi 00BE1780pop esi 00BE1781pop ebx 00BE1782mov esp,ebp 00BE1784pop ebp 00BE1785ret
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。
- 将main函数的 ebp 压栈
- 计算新的 ebp 和 esp
- 将 ebx , esi , edi 寄存器的值保存
- 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了函数调用前压栈进去的
参数,这就是形参访问。 - 将求出的和放在 eax 寄存器准备带回
完整演示:
图片中的 x和 y其实就是 Add 函数的形参。这里很好的说明了函数的传参过程,以及函数在进行值传递调用的时候,形参其实是实参的一份临时拷贝
。对形参的修改不会影响实参。
3.3.7 函数栈帧的销毁
当函数调用要结束返回的时候,前面创建的函数栈帧也开始销毁。
00BE177Fpop edi//在栈顶弹出一个值,存放到edi中,esp+400BE1780pop esi//在栈顶弹出一个值,存放到esi中,esp+400BE1781pop ebx//在栈顶弹出一个值,存放到ebx中,esp+400BE1782mov esp,ebp//再将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00BE1784pop ebp//弹出栈顶的值存放到ebp,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指向了main函数栈帧的栈底。00BE1785ret//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。
完整演示:
之后回到了call指令的下一条指令的地方:
但调用完Add函数,回到main函数的时候,继续往下执行,可以看到:
0065185Dadd esp,8 //esp直接+8,相当于跳过了main函数中压栈的x和y00651860mov dword ptr [ebp-20h],eax //将eax中值,存档到ebp-0x20的地址处,其实就是存储到main函数中ret变量中,而此时eax中就是Add函数中计算的x和y的和,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,在eax中去读取返回值的。
拓展了解:
其实返回对象时内置类型时,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。具体可以参考《程序员的自我修养----“链接、装载与库”》
。
到这里我们给大家完整的演示了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
已经能够基本理解函数的调用过程,函数传参的方式,开头提出的问题,现在是否能解决了呢?当你掌握了这些,在面试的时候将会大放异彩,如果你跟面试官这么完整的讲,面试官一定会对你竖起大拇指 [doge]
3.3.8 函数栈帧相关问题解答
- 局部变量是如何创建的?
答:首先为函数分配好栈帧空间,初始化好一部分空间之后,再分配一部分空间。
- 为什么局部变量不初始化内容是随机的?
答:因为是我们手动放进去的(cc cc cc cc),一旦你初始化,就会把随机值覆盖了。
- 函数调用时参数时如何传递的?传参的顺序是怎样的?
答: 还没有调用的时候,就已经push把参数从右向左压栈进去了,当进入栈帧时,通过指针的偏移量找回了参数的值。
- 函数的形参和实参的关系?
答:形参是实参的一份临时拷贝。
- 函数的返回值是如何带回的?
答:ret 已经存下了地址,pop 的过程中 esp 也回到了原来的位置。返回值通过寄存器 eax 带回来了。
写到最后
呼~终于写完了。在自己学习函数栈帧的创建与销毁时,还是大概3个月前,当时学习的时候完全是一点不懂,因为从没接触过汇编语言难以理解发生了什么。现在基本上已经把C语言完整学完了一遍,回头看函数栈帧,似乎也没有那么难了。于是我决定使用代码+动图的形式直观为大家讲解(画图画了一天真滴好累),虽然其中省略了一些步骤,但是已尽力绘好每一张图。如遇到哪里有错误麻烦批评指正,感谢感谢。
对于函数栈帧,我认为并不需要专门去学习相关的汇编知识,只需要作为了解知识,并且能明白上面提出的问题即可了。做到这点,已经超过绝大多数的同学了。
OK,以上就是本期知识点“函数栈帧的创建与销毁”的知识啦~~,感谢友友们的阅读。后续还会继续更新,欢迎持续关注哟~