函数栈帧的创建和销毁（编程底层原理）

news2024/11/16 16:01:56

本篇的内容格外的难写，里面包含了许多的专业术语名和汇编指令等晦涩难懂的东西，既不利于讲解，也不利于读者的理解。但我会尽力去讲述出里面的底层逻辑，帮助大家去理解里面的过程，理解编程的底层原理可以为我们后续更为复杂的知识学习打下基础。

一、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、函数参数和函数的返回值。2、临时变量（包括函数非静态的局部变量以及编译器自动产生的其他临时变量）。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、函数栈帧的创建和销毁

1、什么是栈？

栈（stack）是现代计算机程序里最为重要的概念之一，几乎每一个程序都要使用栈，函数因栈而生，栈是函数存在的根基。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，汇编指令为push），也可以将已经压入栈中的数据弹出（出栈，汇编指令为pop），这里存在一个顺序问题：先入栈的数据后出栈（First In Last Out）。就像堆书一样，先堆上去的书在最后才能取下来，因为它被堆在了最下面。

实际上，栈在计算机系统中是一个动态内存区域，程序可以将数据压入栈中，也可以将数据从栈顶弹出，压栈操作是栈增大，而弹出操作时栈减小，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、相关的寄存器及汇编指令

3、解析过程

在每次调用函数时，都要为本次函数的调用开辟空间，即函数栈帧创建的空间。这块空间的维护是由esp和ebp两个寄存器进行的，ebp记录的是栈底的地址，esp记录的是栈顶的地址。

因讲解目的是理解代码编译的底层逻辑，本次使用的代码使比较简单的Add加法函数，如下：

#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;
}

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。那我们就可以确定， 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。接下来我们从 main 函数的栈帧创建开始讲解：

开始之前我们要先进行一个操作，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：

然后转到反汇编：

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，截图中的反汇编代码是一次调试代码过程中数据，每次调试略有差异。

函数栈帧的创建

接下来我们就一行行拆解汇编代码：

这里插入一个小知识：

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 ” 。

我们继续，接下来我们再分析main函数中的核心代码：

Add函数的传参

函数调用过程

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。

接下来跳转到Add函数，开始观察Add函数的反汇编代码

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，只在栈帧空间的大小上略有差异。

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 寄存器尊准备带回