函数的栈帧的创建和销毁

本章主题：

• 什么是函数栈帧？
• 理解函数栈帧能解决什么问题？
• 函数栈帧的创建和销毁解析

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正文开始

一.什么是函数栈帧

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带回的？函数参数是如何传递的？这些问题都和函数栈帧有关系。

1.什么是栈

1. 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。
2. 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）。就像叠成一叠的书，先叠上去的书在最下面，因此要最后才能取出。
3. 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。
4. 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。

2.什么是函数栈帧

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：

1. 函数参数和函数返回值
2. 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）
3. 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）。

二.理解函数栈帧能解决什么问题呢？

理解函数栈帧有什么用呢？
只要理解了函数栈帧的创建和销毁，以下问题就能够很好的额理解了：

• 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？
• 函数的形参和实参分别是怎样实例化的？
• 函数的返回值是如何带会的？

让我们一起走进函数栈帧的创建和销毁的过程中。

三.函数栈帧的创建和销毁解析

1.预备知识

（1） 认识相关寄存器和汇编指令

①相关寄存器

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

②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

（2）栈帧空间的维护

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。

如图所示：

2.解析函数栈帧的创建和销毁

演示代码（以vs2019为例）：

#include <stdio.h>
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;
}

（1）准备环境

这段代码，我们在VS2019编译器上调试，调试进入Add函数后，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】），如下图：

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。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：

（2）函数栈帧的创建

调试到main函数开始执行的第一行，右击鼠标转到反汇编。

int main()
{
//函数栈帧的创建
00BE1820 push ebp
00BE1821 mov ebp,esp
00BE1823 sub esp,0E4h
00BE1829 push ebx
00BE182A push esi
00BE182B push edi
00BE182C lea edi,[ebp-24h]
00BE182F mov ecx,9
00BE1834 mov eax,0CCCCCCCCh
00BE1839 rep stos dword ptr es:[edi]
//main函数中的核心代码
int a = 3;
00BE183B mov dword ptr [ebp-8],3
int b = 5;
00BE1842 mov dword ptr [ebp-14h],5
int ret = 0;
00BE1849 mov dword ptr [ebp-20h],0
ret = Add(a, b);
00BE1850 mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00BE1853 push eax
00BE1854 mov ecx,dword ptr [ebp-8]
00BE1857 push ecx
00BE1858 call 00BE10B4
00BE185D add esp,8
00BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax
printf("%d\n", ret);
00BE1863 mov eax,dword ptr [ebp-20h]
00BE1866 push eax
00BE1867 push 0BE7B30h
00BE186C call 00BE10D2
00BE1871 add esp,8
return 0;
00BE1874 xor eax,eax
}

可以看到 main 函数转化来的汇编代码如上所示。接下来就一行行拆解分析汇编代码：

00BE1820 push ebp //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
00BE1821 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
00BE1823 sub 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。
00BE1829 push ebx //将寄存器ebx的值压栈，esp-4
00BE182A push esi //将寄存器esi的值压栈，esp-4
00BE182B push edi //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0xCCCCCCCC放在eax中
//4. 将从edp-0x2h到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为0xCC
00BE182C lea edi,[ebp-24h]
00BE182F mov ecx,9
00BE1834 mov eax,0CCCCCCCCh
00BE1839 rep stos dword ptr es:[edi]

上面的这段代码最后4句，等价于下面的伪代码：

edi = ebp-0x24;
ecx = 9;
eax = 0xCCCCCCCC;
for(; ecx = 0; --ecx,edi+=4)
{
*(int*)edi = eax;
}

如下图所示：

接下来我们再分析main函数中的核心代码：

int a = 3;
00BE183B mov dword ptr [ebp-8],3 //将3存储到ebp-8的地址处，ebp-8的位置其实就是a变量
int b = 5;
00BE1842 mov dword ptr [ebp-14h],5 //将5存储到ebp-14h的地址处，ebp-14h的位置其实是b变量
int ret = 0;
00BE1849 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
//局部变量的创建是在局部变量所在函数的栈帧空间中创建的//调用Add函数
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
00BE1850 mov eax,dword ptr [ebp-14h] //传递b，将ebp-14h处放的5放在eax寄存器
中
00BE1853 push eax //将eax的值压栈，esp-4
00BE1854 mov ecx,dword ptr [ebp-8] //传递a，将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中
00BE1857 push ecx //将ecx的值压栈，esp-4
//跳转调用函数
00BE1858 call 00BE10B4
00BE185D add esp,8
00BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax

Add函数的传参

//调用Add函数
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，这里就是函数传参
00BE1850 mov eax,dword ptr [ebp-14h] //传递b，将ebp-14h处放的5放在eax寄存器
中
00BE1853 push eax //将eax的值压栈，esp-4
00BE1854 mov ecx,dword ptr [ebp-8] //传递a，将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中
00BE1857 push ecx //将ecx的值压栈，esp-4
//跳转调用函数
00BE1858 call 00BE10B4
00BE185D add esp,8
00BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax

函数调用过程：

//跳转调用函数
00BE1858 call 00BE10B4
00BE185D add esp,8
00BE1860 mov 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。

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)
{
00BE1760 push ebp //将main函数栈帧的ebp保存,esp-4
00BE1761 mov ebp,esp //将main函数的esp赋值给新的ebp，ebp现在是Add函数的ebp
00BE1763 sub esp,0CCh //给esp-0xCC，求出Add函数的esp
00BE1769 push ebx //将ebx的值压栈,esp-4
00BE176A push esi //将esi的值压栈,esp-4
00BE176B push edi //将edi的值压栈,esp-4
int z = 0;
00BE176C mov dword ptr [ebp-8],0 //将0放在ebp-8的地址处，其实就是创建z
z = x + y;
//接下来计算的是x+y，结果保存到z中
00BE1773 mov eax,dword ptr [ebp+8] //将ebp+8地址处的数字存储到eax中
00BE1776 add eax,dword ptr [ebp+0Ch] //将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中
00BE1779 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
return z;
00BE177C 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。
}
00BE177F pop edi
00BE1780 pop esi
00BE1781 pop ebx
00BE1782 mov esp,ebp
00BE1784 pop ebp
00BE1785 ret

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 寄存器中准备带回

图中的 a’ 和 b’ 其实就是 Add 函数的形参 x , y。这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。

（3）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。那具体是怎么销毁的呢？我们看一下反汇编代码：

00BE177F pop edi //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+4
00BE1780 pop esi //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+4
00BE1781 pop ebx //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+4
00BE1782 mov 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
00BE1784 pop 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。
00BE1785 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。

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：

00BE185D add esp,8 //esp直接+8，相当于跳过了main函数中压栈的
a'和b'
00BE1860 mov 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

以上就是函数栈帧创建和销毁的整个过程了！！

总结

那么来解释一下第二部分提到的几个问题：

• 局部变量是如何创建的？
  ：局部变量的创建是在局部变量所在函数的栈帧空间中创建的
• 为什么局部变量不初始化内容是随机的？
  ：因为栈帧空间的每一个字节会被自动初始化为一些随机值（类似0xCC），局部变量创建后若未初始化，会自动被赋值为这些随机值
• 函数调用时参数时如何传递的？传参的顺序是怎样的？
  ：函数参数的实参从右向左压栈，在栈中同过寄存器指针的偏移量找回函数形参。
• 函数的形参和实参关系？
  ：形参是实参的临时拷贝
• 函数的返回值是如何带会的？
  ：返回值存在eax返回，eax为寄存器集成在cpu上，不会随着函数的销毁而销毁。

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本篇到此结束，码文不易，还请多多支持哦！！