提升C内功--函数栈帧的创建和销毁(动画讲解)

前言
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👻专栏：C++初阶知识点

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函数栈帧

🚀1.预备知识点

🍉1.1 什么是函数栈帧

  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，所以C程序是以函数为基本单位的。

那函数是如何调用的？函数的返回值又是如何待会的？函数参数是如何传递的？这些问题都和函数栈帧有关系。

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）。

 

🍉1.2函数栈帧能解决什么问题呢？

1. 局部变量是如何创建的？

2. 为什么局部变量不初始化内容是随机的？

3. 函数调用时参数时如何传递的？传参的顺序是怎样的？

4. 函数的形参和实参分别是怎样实例化的？

5. 函数的返回值是如何带会的？

 

🍉1.3相关寄存器和汇编指令

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，保留临时数据
ebp：栈底寄存器
esp：栈顶寄存器
eip：指令寄存器，保存当前指令的下一条指令的地址
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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：数据弹出至指定位置，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，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
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  这里不理解没有任何关系，我们在下面会逐句指令，进行相关解释。

🚀2.函数之间的调用关系(谁调用了main函数)

  以下都以该程序代码来讲解内容。环境：visual stdio2013

#include 

int Add(int x, int y)
{
	int z = 0;
	z = x + y;
	return z;
}

int main()
{
	int a = 3;
	int b = 5;
	int ret = 0;
	ret = Add(a, b);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}
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  大家都知道上述代码中，main函数会调用Add函数，那请问main函数会不会也是某个函数调用的呢？确实如此

  按F10将程序调试起来，并且将代码跑到Add函数的内部，查看调用堆栈的窗口。

 

  其中下面的函数先被调用，我们不难发现，Add是被main函数调用，并且main函数是被__tmainCRTStartup函数所调用的，而且__tmainCRTStartup函数是被mainCRTStarup函数调用的。这就是该程序函数调用的关系。

 

🚀3.函数调用的过程

  接下来咱们会从汇编语言的角度，带着同学们逐步分析函数调用的过程，以及解释一些对我们理解比较重要的指令和寄存器。

F10调式起来，进入反汇编。

 

🍉3.1.main函数 函数栈帧的创建

esp和ebp是维护函数栈帧的两个寄存器，esp–存放栈顶指针，ebp–存放栈底指针

提示：栈是向低地址处生长的，这也是为什么压栈，越要-esp的值，因为在向低地址处生长。

00FD1410  push        ebp  //1.将ebp的内容压栈，esp-4
00FD1411  mov         ebp,esp  //2.将esp的内容赋值给ebp
00FD1413  sub         esp,0E4h  //3.0E4h--十六进制的0E--十进制的228，即esp-228
00FD1419  push        ebx  //ebx压栈
00FD141A  push        esi  //esi压栈
00FD141B  push        edi  //edi压栈
    
00FD141C  lea         edi,[ebp-0E4h]  
00FD1422  mov         ecx,39h  
00FD1427  mov         eax,0CCCCCCCCh  
00FD142C  rep stos    dword ptr es:[edi]
//这四句指令的内容意思：
//将edi到ebp之间的内容全部修改成十六进制的CCCCCCCC，这也是烫烫烫烫的缘由
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动画演示

 

🍉3.2.main函数核心代码执行

	int a = 3;
00FD142E  mov         dword ptr [ebp-8],3 //ebp-8的内容放上3 ，a
	int b = 5;
00FD1435  mov         dword ptr [ebp-14h],5  //ebp-20的内容放上5，b
	int ret = 0;
00FD143C  mov         dword ptr [ebp-20h],0  //ebp-32的内容放上0，ret
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动画演示

 

🍉3.3函数传参,调用函数

	ret = Add(a, b);
//传参
00FD1443  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  //将ebp-20(b)的内容放进eax里面
00FD1446  push        eax  //将eax压栈
00FD1447  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  //将ebp-8(a)的内容放进ecx
00FD144A  push        ecx  //将ecx压栈
//调用Add函数
00FD144B  call        00FD10E1  //call指令
00FD1450  add         esp,8  //call指令的下一句指令
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  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。

 

动画演示

  此时我们发现，函数传参的顺序是：从右到左进行传参

 

我们按F11，会跳转进下面的场景

_Add:
00FD10E1  jmp         00FD13C0  //转入Add函数，进行调用
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此时我们再次按F11，即可跳进Add函数当中

 

🍉3.4.Add函数 函数栈帧的创建

int Add(int x, int y)
{
int Add(int x, int y)
{
00FD13C0  push        ebp  
00FD13C1  mov         ebp,esp  
00FD13C3  sub         esp,0CCh  
00FD13C9  push        ebx  
00FD13CA  push        esi  
00FD13CB  push        edi  
    
00FD13CC  lea         edi,[ebp-0CCh]  
00FD13D2  mov         ecx,33h  
00FD13D7  mov         eax,0CCCCCCCCh  
00FD13DC  rep stos    dword ptr es:[edi] 
//栈帧的建立是类似的，大家直接看动画演示
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🍉3.5.Add函数核心代码执行

	int z = 0;
00FD13DE  mov         dword ptr [ebp-8],0  //将ebp-8(z)的内容赋为0
	z = x + y;
00FD13E5  mov         eax,dword ptr [ebp+8]  //将ebp+8的内容(a)放进eax里
00FD13E8  add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  //将ebp+12的内容(b)加进eax里面
00FD13EB  mov         dword ptr [ebp-8],eax  //将eax的内容放进ebp-8(z)里面
	return z;
00FD13EE  mov         eax,dword ptr [ebp-8]  //将ebp-8的内容(z)放在eax里面
}
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动画演示

🍉3.6.Add函数栈帧的销毁

  通过上一步我们发现，在Add函数开始销毁之前，它将返回值先保存在了eax里面

00FD13F1  pop         edi  //edi出栈
00FD13F2  pop         esi  //esi出栈
00FD13F3  pop         ebx  //ebx出栈
00FD13F4  mov         esp,ebp  //将ebp的值赋值给esp
00FD13F6  pop         ebp  //ebp出栈
00FD13F7  ret  
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  pop：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。

   ret：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。

动画演示：

 

🍉3.7.main函数的剩余代码

00FD1450  add         esp,8  
	ret = Add(a, b);
00FD1453  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  //将eax的内容放进ebp-32的内容(ret)里面
    
//以下的功能大家可以不用琢磨，不影响我们理解函数栈帧
	printf("%d\n", ret);
00FD1456  mov         esi,esp  
00FD1458  mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
00FD145B  push        eax  
00FD145C  push        0FD5858h  
00FD1461  call        dword ptr ds:[00FD9114h]  
00FD1467  add         esp,8  //将两个函数参数出栈
00FD146A  cmp         esi,esp  
00FD146C  call        00FD113B  
	return 0;
00FD1471  xor         eax,eax  
}
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注意：call指令的下一句指令的地址，其实早已经在上一步的ret指令中就出栈了

 

🍉3.8.main函数 函数栈帧的销毁

  同样也是与Add函数栈帧销毁类似

00FD1473  pop         edi  
00FD1474  pop         esi  
00FD1475  pop         ebx  
00FD1476  add         esp,0E4h  
00FD147C  cmp         ebp,esp  
00FD147E  call        00FD113B  
00FD1483  mov         esp,ebp  
00FD1485  pop         ebp  
00FD1486  ret
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动画演示

  main函数和Add函数的调用过程结束。

 

希望大家看了这篇文章对函数的调用能有不一样的理解，咱们下期间！