• 函数栈帧的创建和销毁

    “总有人间一两风，

    填我十万八千梦”

    🍑作者：小赛毛

    目录

    函数栈帧解决了什么问题？

    什么是栈？

    什么是寄存器？

      函数栈帧的创建和销毁

    预热知识准备：

     函数的调用堆栈

    转到反汇编

    函数栈帧的创建

    补充说明：烫烫烫~

    调用Add函数：

    函数栈帧的销毁

    大家学了这么久C语言有没有产生一些问题与疑惑哩？

    好家伙，你问俺啥问题，那我只能说6哈哈哈哈

    比如噻

    函数栈帧解决了什么问题？

    • 局部变量是怎么创建的？
    • 为什么局部变量的值是随机值？
    • 函数是怎么传参的？传参的顺序是怎样的？
    • 形参和实参是什么关系？
    • 函数调用是怎么做的？
    • 函数调用是结束后怎么返回的？

    老铁这会儿可能又要说，你小子，哪来这么多问题？

     其实哩，老铁们呢只要知道函数栈帧的创建和销毁，学会了就明白这些问题了，内功呢自然也就修炼了~

    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）。

    什么是栈？

    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）。就像叠成一叠的术，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

    要给大家讲明白这一点呢，就要给大家讲一下寄存器

    什么是寄存器？

    • 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

    ebp

    esp

    这两个呢是今天的重点，要理解函数栈帧，就必须理解这两个寄存器。

    ebp，esp中存放的是地址，这2个地址是用来维护函数栈帧的。

    同时我们也要知道相关汇编命令

    • 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

      函数栈帧的创建和销毁

    预热知识准备：

    在开始之前呢，再给大家补充一下知识：

     每一个函数调用，都要在栈区创建一个空间每个函数栈帧都有自己的 ebp 和 esp 来维护栈帧空间

    • push压栈：给栈顶放一个元素
    • pop出栈：从栈顶删除一个元素

    我们知道每一个函数调用都会在栈区上开辟一块空间，

    如果下面是高地址，上面是低地址

     这块空间由ebp esp所维护，在正在调用哪个函数，ebp和esp就去维护哪块函数空间的函数栈帧，比如说此时调用Add函数，那esp ebp就去维护Add函数空间的栈帧，通常我们把ebp叫做栈底指针，esp叫做栈顶指针。 

     函数的调用堆栈

     在vs2013中，main函数也是被其他函数调用的

    __tmainCRTStartup

    mainCRTStartup

     接下来我们继续：

    转到反汇编

    首先f10调试到main函数开始执行的第一行，右击鼠标转到反汇编。

    1. #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
    2. #include
    3. int Add(int x, int y)
    4. {
    5. 	int z = 0;
    6. 	z = x + y;
    7. 	return z;
    8. }
    9.  
    10. int main()
    11. {
    12. 	int a = 10;
    13. 	int b = 20;
    14. 	int c = 0;
    15.  
    16. 	c = Add(a, b);
    17.  
    18. 	printf("%d\n", c);
    19. 	return 0;
    20. }
    1. int main()
    2. {
    3. 00C418B0  push        ebp  //把ebp寄存器中的值进行压栈
    4. 00C418B1  mov         ebp,esp   //move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    //sub会让esp中的地址减去一个16进制数字0xe4,产生新的esp
    5. 00C418B3  sub         esp,0E4h  
    6. 00C418B9  push        ebx  
    7. 00C418BA  push        esi  
    8. 00C418BB  push        edi  
    9. //下面的代码是在初始化main函数的栈帧空间。
    10. //1. 先把ebp-24h的地址，放在edi中
    11. //2. 把9放在ecx中
    12. //3. 把0xCCCCCCCC放在eax中
    13. //4. 将从edp-0x2h到ebp这一段的内存的每个字节都改为cccccccc
    14. 00C418BC  lea         edi,[ebp-24h]  
    15. 00C418BF  mov         ecx,9  
    16. 00C418C4  mov         eax,0CCCCCCCCh  
    17. 00C418C9  rep stos    dword ptr es:[edi]  
    18. 00C418CB  mov         ecx,0C4C008h  
    19. 00C418D0  call        00C4131B  
    20. 	int a = 10;
    21. 00C418D5  mov         dword ptr [ebp-8],0Ah  
    22. 	int b = 20;
    23. 00C418DC  mov         dword ptr [ebp-14h],14h  
    24. 	int c = 0;
    25. 00C418E3  mov         dword ptr [ebp-20h],0  
    26.  
    27. 	c = Add(a, b);
    28. 00C418EA  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
    29. 00C418ED  push        eax  
    30. 00C418EE  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
    31. 00C418F1  push        ecx  
    32. 00C418F2  call        00C410B4  
    33. 00C418F7  add         esp,8  
    34. 00C418FA  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
    35.  
    36. 	printf("%d\n", c);
    37. 00C418FD  mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
    38. 00C41900  push        eax  
    39. 00C41901  push        0C47B30h  
    40. 00C41906  call        00C410D2  
    41. 00C4190B  add         esp,8  
    42. 	return 0;
    43. 00C4190E  xor         eax,eax  
    44. }

    函数栈帧的创建

     我们先来push压栈

    操作前：

     我们看执行完：

    这就是给大家讲的先把ebp压进去

    ebp压进去以后再怎么办呢？

    接下里是move

    move是把esp给ebp

     

     下一步sub，sub是解码嘛

     我们注意到esp变了，这意味着什么呢？

    esp的地址往上走了~

    紧接着下来三次push ，其实是给顶上压进去了三个元素，这三个元素呢，我们不需要去管

     接下来lea

    lea：load effective address

    给edi里面放了一个地址

    将从edp-0x2h到ebp这一段的内存的每个字节都改为cccccccc

    补充说明：烫烫烫~

    之所以程序输出“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cccccccc，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，cccccccc的汉字编码就是“烫”，所以cccccccc被当作文本就是“烫”。

    a，b，c创建：

    1. 	int a = 10;
    2. 00C418D5  mov         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
    3. 	int b = 20;
    4. 00C418DC  mov         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
    5. 	int c = 0;
    6. 00C418E3  mov         dword ptr [ebp-20h],0  //将0存储到ebp-20h的地址处，ebp-20h的位置其实是c变量

     以上汇编代码表示的变量a,b,c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

    当a，b，c创建好后，我们就该：

    调用Add函数：

    1. c = Add(a, b);
    2. 00C418EA  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  //把b的值20放入eax
    3. 00C418ED  push        eax                      //栈顶压入
    4. 00C418EE  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]    //把a的值10放入ecx
    5. 00C418F1  push        ecx                      //栈顶压入
    6. 00C418F2  call        00C410B4                 //调用
    7. 00C418F7  add         esp,8  
    8. 00C418FA  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
    9.  
    10. 	printf("%d\n", c);
    11. 00C418FD  mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
    12. 00C41900  push        eax  
    13. 00C41901  push        0C47B30h  
    14. 00C41906  call        00C410D2  
    15. 00C4190B  add         esp,8  
    16. 	return 0;
    17. 00C4190E  xor         eax,eax  
    18. }
    19. 00C41910  pop         edi  
    20. 00C41911  pop         esi  
    21. 00C41912  pop         ebx  
    22. 00C41913  add         esp,0E4h  
    23. 00C41919  cmp         ebp,esp  
    24. 00C4191B  call        00C41244  
    25. 00C41920  mov         esp,ebp  
    26. 00C41922  pop         ebp  
    27. 00C41923  ret  
    1. 00C418EA  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  //把b的值20放入eax
    2. 00C418ED  push        eax                      //栈顶压入
    3. 00C418EE  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
    4. 00C418F1  push        ecx

    以上两个动作就是在进行传参

    1. int Add(int x, int y)
    2. {
    3. 00C41770  push        ebp  //将main函数栈帧的ebp保存,esp-4
    4. 00C41771  mov         ebp,esp  //将main函数的esp赋值给新的ebp，ebp现在是Add函数的ebp
    5. 00C41773  sub         esp,0CCh  //给esp-0xCC，求出Add函数的esp
    6. 00C41779  push        ebx  //将ebx的值压栈,esp-4
    7. 00C4177A  push        esi  //将esi的值压栈,esp-4
    8. 00C4177B  push        edi  //将edi的值压栈,esp-4
    9. 00C4177C  lea         edi,[ebp-0Ch]  
    10. 00C4177F  mov         ecx,3  
    11. 00C41784  mov         eax,0CCCCCCCCh  
    12. 00C41789  rep stos    dword ptr es:[edi]  
    13. 00C4178B  mov         ecx,0C4C008h  
    14. 00C41790  call        00C4131B  
    15. 	int z = 0;
    16. 00C41795  mov         dword ptr [ebp-8],0 //将0放在ebp-8的地址处，其实就是创建z 
    17. 	z = x + y;//接下来计算的是x+y，结果保存到z中
    18. 00C4179C  mov         eax,dword ptr [ebp+8]  //将ebp+8地址处的数字存储到eax中
    19. 00C4179F  add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  //将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中
    20. 00C417A2  mov         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
    21. 	return z;
    22. 00C417A5  mov         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。
    23. }
    24. 00C417A8  pop         edi  
    25. 00C417A9  pop         esi  
    26. 00C417AA  pop         ebx  
    27. 00C417AB  add         esp,0CCh  
    28. 00C417B1  cmp         ebp,esp  
    29. 00C417B3  call        00C41244  
    30. 00C417B8  mov         esp,ebp  
    31. 00C417BA  pop         ebp  
    32. 00C417BB  ret

     图片中的 a’ 和 b’ 其实就是 Add 函数的形参 x , y 。这里的分析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拷贝。对形参的修改不会影响实参。 

    函数栈帧的销毁

    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。
    那具体是怎么销毁的呢？我们看一下反汇编代码：

    1. 00C417A8  pop         edi  //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+4
    2. 00C417A9  pop         esi  //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+4
    3. 00C417AA  pop         ebx  //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+4
    4. 00C417AB  add         esp,0CCh  //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

     各位老铁们，本章知识到此就要说再见啦，我们接下来的知识，下一篇见，小赛毛与你不见不散！

    加油啦，小比特~

    记得一键三连嗷！三连!!三连！！！

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