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【C语言进阶】函数栈帧的创建和销毁（内功修炼）

2023-04-18 326
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简介： 目录前言 一、基础知识1.1 什么是栈区？1.2 寄存器1.3 测试代码和一些其它的二、函数栈帧的创建和销毁的过程2.1 _tmainCRTStartup函数（调用main函数）栈帧的创建2.2 main函数栈帧的创建2.3 main函数内执行有效代码2.4 Add函数栈帧的创建2.5 Add函数内执行有效代码 2.6 Add函数栈帧的销毁2.7 main函数代码继续执行 三、所需反汇编代码总览四、总结

目录

前言

一、基础知识

1.1 什么是栈区？

1.2 寄存器

1.3 测试代码和一些其它的

二、函数栈帧的创建和销毁的过程

2.1 _tmainCRTStartup函数（调用main函数）栈帧的创建

2.2 main函数栈帧的创建

2.3 main函数内执行有效代码

2.4 Add函数栈帧的创建

2.5 Add函数内执行有效代码

2.6 Add函数栈帧的销毁

2.7 main函数代码继续执行

三、所需反汇编代码总览

四、总结

前言

在前期的学习过程中，我们可能会有很多的困惑：

  1. 局部变量是怎么创建的？
  2. 为什么未初始化的局部变量的值是随机值？
  3. 函数是如何传参的？以及传参的顺序是怎样的？
  4. 形参和实参是什么关系？
  5. 函数调用是怎么做的？
  6. 函数调用结束后是怎么返回的？

这里使用的环境是 Visual Studio 2019（原本想用 Visual Studio 2013 的，但是没有安装有），提示不要使用太过高级的编译器，因为越高级的编译器越不容易观察。同时这里需要注意的是在不同的编译器下，函数调用过程中栈帧的创建是略有差异的，不是完全相同的，具体细节取决于编译器

一、基础知识

1.1 什么是栈区？

C/C++程序内存分配的几个区域：

1. 栈区（stack）：

  • 在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。

2. 堆区（heap）：

  • 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。

3. 数据段（静态区）（static）：

  • 存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。

4. 代码段：

  • 存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码

image.png

今天文章的内容是关于栈区的，其他简单了解即可

接下来，补充一下栈的知识，了解到这就可以了，足够使用了

  • 栈区的使用是从高地址到低地址
  • 栈区的使用遵循先进后出，后进先出
  • 栈区的放置是从高地址往低地址放置：push 是压栈
  • 删除是从低往高删除：pop 是出栈

接下来还要了解一个重要的东西，寄存器，寄存器整篇文章都在使用。

-------------------我是分割线------------------

1.2 寄存器

这里简单介绍一些寄存器，其它的先不要过多理解

常见寄存器有eax、ebx、ecx、edx，这四个都当做通用寄存器，保留临时数据，ebp和esp较为特殊

eax "累加器"  它是很多加法乘法指令的缺省寄存器。
ebx "基地址"寄存器， 在内存寻址时存放基地址。
ecx 计数器，是重复(REP)前缀指令和LOOP指令的内定计数器。
edx 总是被用来放整数除法产生的余数。
esi 源索引寄存器
edi

目标索引寄存器
ebp （栈底指针）"基址指针"，存放的是地址，用来维护函数栈帧
esp （栈顶指针）专门用作堆栈指针，存放的是地址，用来维护函数栈帧

1.3 测试代码和一些其它的

使用的测试代码（足够简单才好演示）：

#include<stdio.h>intAdd(intx, inty)
{
intz=0;
z=x+y;
returnz;
}
intmain()
{
inta=10;
intb=20;
intc=0;
c=Add(a, b);
printf("%d\n", c);
return0;
}

接下来还有一些汇编代码的含义：

  • mov：mov是数据传送指令（move的缩写），用于将一个数据从源地址传送到目标地址
  • sub：减法，subtraction的缩写
  • ea：Load effective address的缩写，取有效地址
  • call：用于调用其他函数
  • add：加法
  • pop：出栈
  • push：入栈或压栈

测试编译器使用的是 VS2019，以调试一步步进行演示

准备工作已经做好，接下来开始演示。

-------------------我是分割线------------------

二、函数栈帧的创建和销毁的过程

每一个函数调用，都要在栈区创建一个空间

2.1 _tmainCRTStartup函数（调用main函数）栈帧的创建

先了解 main 函数是被谁调用的，按 F10 或 F11 进入调试模式，F10是逐过程，F11是逐语句，打开堆栈

image.png

这时看到调用堆栈这个窗口

image.png

按F10，按到return 0 时再按一次，调用栈堆会出现以下内容（我使用的VS2019 没有出现，可能编译器版本太高，优化掉了）

这时再看堆栈窗口发现 main 函数被 __tmainCRTStartup() 调用

image.png

而 __tmainCRTStartup() 又被 mainCRTStartup() 调用

image.png

观察C语言代码所对应的汇编代码，在调试状态下，右击鼠标转到反汇编

image.png

转到汇编后，右键 取消符号名，方便查看阅读汇编代码

image.png

先看以下汇编代码

image.png

编译器会先在栈区处开辟一部分空间给  __tmainCRTStartup()  和 _mainCRTStartup()  函数，并用 esp 和 ebp 维护，先看下这两个函数栈帧开辟情况：

image.png

2.2 main函数栈帧的创建

先看第一部分汇编代码，逐条语句解释

pushebp//在栈顶开辟ebp寄存器对应的空间movebp,esp//将esp的值传入ebp中（即将ebp指针移动到原本esp指向的位置）subesp,0E4h//将esp的内容减去0E4h（将esp移动到原esp-0E4h的位置）pushebx//在栈顶放入ebxpushesi//在栈顶放入esipushedi//在栈顶放入edi

此时进入main函数（也就是程序调试开始），首先要 push ebp 进行压栈，ebp 在 __tmainCRTStartup() 上面压栈

观察esp ebp 地址的变化，在调试的监视里面查看，push ebp 之后，esp 指向的位置也随之改变 (地址减小)

image.png

image.png

接下来是 mov  ebp,esp  ，将esp的值传入ebp中（即将ebp指针移动到esp指向的位置）

image.png

image.png

接下来 sub  esp,0E4h，将esp的内容减去0E4h（将esp移动到原esp-0E4h的位置，esp-0E4h地址减小）

image.png

image.png

接下来 push  ebx  ，在栈顶放入ebx，地址依旧减小

image.png

接下来 push  esi  ，在栈顶放入 esi，地址依旧减小

image.png

接下来 push  edi  ，在栈顶放入edi，地址依旧减小

image.png

步骤演示图：

image.png

接下来： 

leaedi,[ebp-24h]//将ebp-24h的地址放入edimovecx,9//将9放入ecxmoveax,0CCCCCCCCh//将0CCCCCCCCh放入eaxrepstosdwordptres:[edi]//将edi往下ecx个地址的数据全部初始化为0CCCCCCCCh

lea  edi,[ebp-24h]，把 ebp - 0E4h 这个地址加载到 edi 里

image.png

image.png


顺便看一下，ebp-24h 的地址

image.png

接下来

mov  ecx,9，将9放入ecx

mov  eax,0CCCCCCCCh ，将0CCCCCCCCh放入eax

rep stos  dword ptr es:[edi]，将edi往下ecx个地址的数据全部初始化为0CCCCCCCCh

说明：这里的数据全部是十六进制数字，数据后面的 h 直接忽略掉即可，它只是编译器十六进制的一种表示形式

这三步执行完，把 edi 这个位置开始向下的 9 行 dword 数据全部改为 0xcccccccc (word是2个字节，dword是4个字节)，一共36个字节，一行四字节，共9 行

调试里打开内存监控，内存监控中的内存地址也是向上减小的


步骤演示图：

image.png

到这main函数的函数栈帧已经创建好了

2.3 main函数内执行有效代码

接下来开始初始化 a、b、c 局部变量，直接看mov初始化，上面两行不用理

movecx,0ECC003hcall00EC131Binta=10;
movdwordptr [ebp-8],0Ahintb=20;
movdwordptr [ebp-14h],14hintc=0;
movdwordptr [ebp-20h],0

mov     dword ptr [ebp-8],0Ah  ，把 0Ah(十进制为10) 放到 ebp-8 的位置

image.png

mov  dword ptr [ebp-14h],14h  ，把 14h(20) 放到 ebp-14h的位置

image.png

mov  dword ptr [ebp-20h],0  ，把 0 放到 ebp-20h的位置

image.png

到这里a,b,c 已经初始化完成了

步骤演示图：

image.png

接下来： 

1.  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
2.  push        eax  
3.  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
4.  push        ecx

mov  eax,dword ptr [ebp-14h]  ，把 ebp-14h 的值0000 0014（十进制是20）放到 eax 里去

image.png

push  eax  ，压栈 eax(20)，esp指向的位置也随之改变 (地址减小) image.png

mov   ecx,dword ptr [ebp-8]  ，把 ebp-8 的值0000000a（十进制是10） 放到 ecx 里去

image.png

push  ecx  ，压栈 ecx(10)，esp指向的位置也随之改变 (地址减小)

image.png

步骤演示图：（截一部分，用不到的先不截）

image.png

接下来为call 指令，按下F11，此时就正式进入Add函数内部 并为其开辟栈帧，详情见下文

2.4 Add函数栈帧的创建

按 F11，进入到 Add 函数 ，该add 函数地址不一定与main 函数地址相连，但是add 函数的地址一定在main 函数地址上面

call        00EC131B

call 指令调用 Add 函数，这里逐语句(F11)执行，发现这里竟然存储着下一条指令的地址，事实上 call 指令把下一条指令的地址压栈了(为了 Add 函数结束后能找回来)，esp 地址也跟着变化

image.png

进入 Add 函数前，会先为 Add 函数开辟函数栈帧，这这些操作跟先前main函数开辟函数栈帧操作一样，所以这里就不细谈了

pushebp//将ebp上移movebp,esp//将esp内容放入ebp（移动ebp）subesp,0CCh//esp-0CCh（为Add开辟空间）pushebx//在栈顶放入ebxpushesi//在栈顶放入esipushedi//在栈顶放入edileaedi,[ebp-0Ch]//ebp-0Ch的空间  movecx,3//3存入ecx  moveax,0CCCCCCCCh//存入eax  repstosdwordptres:[edi]//esp往下0ch的空间进行赋值

首先，push ebp把ebp压栈到栈顶，再mov把esp赋给ebp，再sub，把esp-去0CCh，此步骤就是在为Add函数开辟空间，接着进行三次push，同main函数那样，同理，依旧是赋值为CCCCCCCC，详细过程不再赘述，跟上文main函数一样，如图所示：

详细：

image.png

简图：

image.png

2.5 Add函数内执行有效代码 

movecx,0ECC003hcall00EC131Bintz=0;
movdwordptr [ebp-8],0//把 0 初始化到 ebp-8 的位置

image.png

  z = x + y;
 mov         eax,dword ptr [ebp+8]  //把 ebp+8 的值 10 放到 eax 里
 add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  //把 ebp+0ch 的值 20 和 eax 的值 10 相加
 mov         dword ptr [ebp-8],eax  //把 eax 的值 30 放到 ebp-8(z) 里去
  return z;
 mov         eax,dword ptr [ebp-8]  //把 ebp-8 的值 30 放到 eax 里去

首先，把0放到ebp-8的位置上，接着mov把ebp+8的值放到eax里头去，此时eax就是10。再add给eax加上ebp+0ch，就是把20加进去，此时eax就是30，加完后再把eax（30）放到ebp-8里头去，最终的结果（30）放到z里头去。

image.png

image.png

接下来就要进行返回了，也就是Add函数栈帧的销毁，见下文

2.6 Add函数栈帧的销毁

returnz;
moveax,dwordptr [ebp-8]  //把ebp-8的值（30）放到eax里头去}
popedi//出栈，释放为edi创建的栈区popesi//出栈，释放为esi创建的栈区popebx//出栈，释放为exb创建的栈区addesp,0CCh//为esp地址+0CCh，即退出Add程序的栈区空间  cmpebp,esp不理会call00EC1244不理会movesp,ebp//ebp的值赋给esp，此时esp和ebp相同popebp//弹出ebp  ret//返回

mov   eax,dword ptr [ebp-8]  ,把ebp-8的值（30）放到eax里头去

image.png

pop edi  ,出栈，释放为edi创建的栈区，地址开始增大

image.png

image.png

pop esi  ，出栈，释放为esi创建的栈区，地址继续增大

image.png

pop ebx  ，出栈，释放为exb创建的栈区，地址继续增大

image.png

步骤演示图：

image.png

add     esp,0CCh   ，为esp地址+0CCh，即退出Add程序的栈区空间  ，此时esp和ebp相同

image.png

步骤演示图：

image.png

mov  esp,ebp  ，ebp的值赋给esp，此时esp和ebp依旧相同

image.png

pop    ebp  ，弹出ebp，并将ebp所指向的main函数的起始地址赋值给了ebp指针，esp指针向高位移动，esp和ebp重新开始维护main函数的栈区空间

image.png

ret  ，返回到main函数，在执行 ret 指令时，esp指针就指向了栈顶存放的call指令的下一条指令的地址,

image.png

步骤演示图：

image.png

此时Add函数的栈帧算是真正销毁

2.7 main函数代码继续执行

addesp,8movdwordptr [ebp-20h],eaxprintf("%d\n", c);
moveax,dwordptr [ebp-20h]  
pusheaxpush0EC7B30hcall00EC10D2addesp,8return0;
xoreax,eax

add    esp,8  ，而这一条指令的意思，是往esp里加8，即向高位移动，实际上这条指令就是在销毁我们的形参

image.png

步骤演示图：

image.png

mov      dword ptr [ebp-20h],eax  ，把eax的值放到ebp-20h上，而eax就是我们出Add函数时计算的和

image.png

接下来就是打印值和 main函数函数栈帧销毁，都与上面类似，这里不多做赘述

  -------------------我是分割线------------------  

三、所需反汇编代码总览

add 函数

intAdd(intx, inty)
{
pushebpmovebp,espsubesp,0CChpushebxpushesipushedileaedi,[ebp-0Ch]  
movecx,3moveax,0CCCCCCCChrepstosdwordptres:[edi]  
movecx,0ECC003hcall00EC131Bintz=0;
movdwordptr [ebp-8],0z=x+y;
moveax,dwordptr [ebp+8]  
addeax,dwordptr [ebp+0Ch]  
movdwordptr [ebp-8],eaxreturnz;
moveax,dwordptr [ebp-8]  
}
popedipopesipopebxaddesp,0CChcmpebp,espcall00EC1244movesp,ebppopebpret

main函数 

intmain()
{
pushebpmovebp,espsubesp,0E4hpushebxpushesipushedileaedi,[ebp-24h]  
movecx,9moveax,0CCCCCCCChrepstosdwordptres:[edi]  
movecx,0ECC003hcall00EC131Binta=10;
movdwordptr [ebp-8],0Ahintb=20;
movdwordptr [ebp-14h],14hintc=0;
movdwordptr [ebp-20h],0c=Add(a, b);
moveax,dwordptr [ebp-14h]  
pusheaxmovecx,dwordptr [ebp-8]  
pushecxcall00EC10B4addesp,8movdwordptr [ebp-20h],eaxprintf("%d\n", c);
moveax,dwordptr [ebp-20h]  
pusheaxpush0EC7B30hcall00EC10D2addesp,8return0;
xoreax,eax}
popedipopesipopebxaddesp,0E4hcmpebp,espcall00EC1244movesp,ebppopebpret

四、总结

1、局部变量是怎么创建的？

首先为这个函数分配好栈帧空间，并初始化一部分空间为0xcccccccc，再为局部变量分配空间并初始化

2、为什么未初始化的局部变量的值是随机值？

在开辟好栈帧空间后，会初始化 0xcccccccc 这样的随机值，而局部变量的初始化操作就会将随机值覆盖

3、函数是如何传参的？以及传参的顺序是怎样的？

在调用函数前，会先将函数参数从后向前依次压栈，而进入函数后，它会通过指针的偏移量找到形参

4、形参和实参是什么关系？

形参是在压栈时开辟的空间，实参和形参只是值相同，空间是独立的。所以形参是实参的一份临时拷贝，改变形参不会改变实参

5、函数调用是怎么做的？

函数调用前，它会记住下一条指令的地址，这样做是为了函数结束后能回的来

6、函数调用结束后是怎么返回的？

函数调用结束会通过下一条指令的地址返回，这也是为什么要压栈下一条指令的地址。在返回前它会将计算好的值放在 eax 里

 -------------------我是分割线------------------  

这里只是对函数栈帧的创建和销毁简单描述，需要更详细的百度即可

写完这篇文章给我的感觉就是图真难画....

 -------------------我是分割线------------------  

文章就先到这

文章标签：
C++
C语言
索引
监控
程序员
存储
编译器
关键词：
C语言函数栈
C语言进阶
C语言函数栈销毁
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