函数帧栈的创建和销毁（一）

news2024/9/22 21:25:08

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

什么是栈

认识相关寄存器和汇编指令

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）

理解函数栈帧能解决什么问题

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？

函数栈帧的创建和销毁

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。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。

认识相关寄存器和汇编指令

esp和ebp寄存器

        当函数调用发生时，栈上会为新的函数分配一块新的空间，这个空间通常被称为栈帧（stack frame）。在维护帧栈时，`ebp` 和 `esp` 寄存器通常会指向当前活动函数的栈帧底部和顶部。

        对于第一个空间（即当前活动函数的栈帧），`ebp` 通常会指向该空间的底部地址。而 `esp` 则是指向该空间顶部地址之上一个位置。也就是说，在只有一个空间时，它们都指向同一位置。

        当发生另一个函数调用并创建了新的栈帧后，旧的 `ebp` 的值将被保存到新创建的栈帧中，并且更新为指向新创建栈帧底部地址。此时，早期创建出来但尚未完成执行（即尚未返回）的那个函数所对应之前保留在堆上内存中已经存在了两份数据：一份是原始状态下保存着早期生成代码段信息、静态变量等数据；另外一份则是现场保护压入堆盏信息以及局部变量等数据。

因此，在这种情况下：

早期生成代码段、静态变量等仍然可以通过原始 `ebp+偏移量1/2/3...n*4字节大小(32位系统)` 的方式访问
新创建的栈帧中的局部变量等可以通过新 `ebp+偏移量1/2/3...n*4字节大小(32位系统)` 的方式访问

结论：ebp和 esp 寄存器在维护帧栈时会指向当前活动函数的栈帧底部和顶部

我们也可以将两个寄存器叫做栈顶指针和栈底指针

解析函数栈帧的创建和销毁

学前补充

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. 使用2个寄存器esp和ebp维护函数帧栈空间， ebp记录栈底地址， esp记录栈顶地址

3. 函数栈帧的创建和销毁过程，在不同的编译器上实现的方法大同小异

函数的调用堆栈
#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;
}
打开调试窗口的调用堆栈，发现在右侧的监视窗口中出现了__taminCRTStartup()，它表示在执行main函数时调用了__taminCRTStartup()这个堆栈，这就证明main也是被调用的，它在__taminCRTStartup()函数中被调用，此外，在监视窗口中还有一个函数mainCRTStartup()，__taminCRTStartup函数是在该函数中被调用的：