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)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
movmov 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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 ebpesp 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。

  1. 先把ebp-24h的地址,放在edi中

  2. 把9放在ecx中

  3. 把0xCCCCCCCCh放在eax中

  4. 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。

  1. 将main函数的 ebp 压栈
  2. 计算新的 ebp 和 esp
  3. 将 ebx , esi , edi 寄存器的值保存
  4. 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。
  5. 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~