函数栈帧的创建和销毁（VS2022）

news2024/11/16 12:07:46

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

目录

前言

一、前面的困惑

二、什么是函数栈帧

三、关于函数栈帧的基础知识

1.栈

2.寄存器

2.1 什么是寄存器

2.2 相关的寄存器

 2.3 相关汇编命令

 2.4 预备知识

四、解析函数栈帧的创建和销毁

1.转到反汇编

 2. 函数栈帧的创建

3.进入自定义函数： 

 4. 函数栈帧的销毁

总结

前言

前期在学习的时候，我们可能有很多问题，比如局部变量如何创建的等......,学完这章的知识点，就都会了

一、前面的困惑

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。

二、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）。

三、关于函数栈帧的基础知识

1.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 ；

2.寄存器

2.1 什么是寄存器

寄存器（Register）是计算机硬件中的小型、高速的存储单元，它们直接连接到CPU（中央处理器）。寄存器主要用于暂存数据或指令地址，以便CPU能快速访问，提高计算效率。相比于主内存，寄存器的读写速度更快，但容量有限。常见的寄存器有通用寄存器（如ALU的运算结果寄存器）、程序计数器（PC，保存当前指令的位置）、标志寄存器（用于存放运算结果的状态信息）等。寄存器的作用至关重要，尤其是在处理频繁使用的数据或指令时，能够显著提升系统的性能。

2.2 相关的寄存器

以下就是等下讲解的时候会出现的寄存器：

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

 2.3 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

 2.4 预备知识

我们浅浅的举个例子：

#include <stdio.h>

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

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = 0;

	c = Add(a, b);
	printf("%d\n", c);
	return 0;
}

我们先简单来说一下： 

 其实我们不难发现：

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。

即：

注：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，本次演示以VS2022为例。 

首先我们先来看看下面的调试内容（还是以上面的例子为例）：

所以在VS2022中，main函数也是被其他函数调用的

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。

 

这里相当于打个预防针，方便理解后面的栈帧的创建与销毁；

那接下来我们从main函数的栈帧创建开始讲解：

四、解析函数栈帧的创建和销毁

1.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，本文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。

1.调试右击转到反汇编并关闭显示符号名：

接下来我们来解读这上面的代码：

int main()
{
00007FF60EC718A0  push        rbp  
00007FF60EC718A2  push        rdi  
00007FF60EC718A3  sub         rsp,148h  
00007FF60EC718AA  lea         rbp,[rsp+20h]  
	int a = 10;
00007FF60EC718AF  mov         dword ptr [rbp+4],0Ah  
	int b = 20;
00007FF60EC718B6  mov         dword ptr [rbp+24h],14h  
	int c = 0;
00007FF60EC718BD  mov         dword ptr [rbp+44h],0  

	c = Add(a, b);
00007FF60EC718C4  mov         edx,dword ptr [rbp+24h]  
00007FF60EC718C7  mov         ecx,dword ptr [rbp+4]  
00007FF60EC718CA  call        00007FF60EC71348  
00007FF60EC718CF  mov         dword ptr [rbp+44h],eax  
	printf("%d\n", c);
00007FF60EC718D2  mov         edx,dword ptr [rbp+44h]  
00007FF60EC718D5  lea         rcx,[00007FF60EC79C24h]  
00007FF60EC718DC  call        00007FF60EC71195  
	return 0;
00007FF60EC718E1  xor         eax,eax  
}

 2. 函数栈帧的创建

这里我看到 main 函数转化来的汇编代码如上所示。
接下来我们就一行行拆解汇编代码

00007FF60EC718A0  push        rbp  
00007FF60EC718A2  push        rdi  
00007FF60EC718A3  sub         rsp,148h  
00007FF60EC718AA  lea         rbp,[rsp+20h]

（这里的rbp与rsp就如上讲的esp与ebp一致，上面说过，不同的编译器，甚至不同的版本都有一些差别，但不影响我们理解）

上面我就已经提过了main不是直接调用的， main 函数调用之前，是由invoke_main 函数来调用main函数。 也就是说main函数调用前，已经存在了栈顶指针rsp与栈底指针rbp指向invoke_main函数的栈帧

 

 我们再进行操作：

第一句：

00007FF60EC718A0  push        rbp   
 //把rbp寄存器中的值进行压栈，此时的rbp中存放的是
 //invoke_main函数栈帧的rbp，rsp-8;

 

在执行前我们还可调出内存窗口看看是否如此：

执行前：

执行后：

我们看到rsp的地址减去了8（64位） 

 第二句:

同理：

00007FF60EC718A2  push        rdi  
//把rdi寄存器中的值进行压栈，rsp-8
//不用知道这个rdi存的是什么，对本次理解不影响

  

 第三句：

00007FF60EC718A3  sub         rsp,148h  
//sub会让rsp中的地址减去一个16进制数字148h,产生新的
rsp，此时的rsp是main函数栈帧的rsp;

 如图：

第四句：

00007FF60EC718AA  lea         rbp,[rsp+20h]
//lea的意思是load effecitive address“加载有效地址”也就是将后面的地址给rbp
//这里的rbp与前面的rsp就形成了main函数的栈帧
//，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。

 

 我们接着看下面句：

	int a = 10;
00007FF60EC718AF  mov         dword ptr [rbp+4],0Ah  
	int b = 20;
00007FF60EC718B6  mov         dword ptr [rbp+24h],14h  
	int c = 0;
00007FF60EC718BD  mov         dword ptr [rbp+44h],0

这几句的意思一样：我们只说第一句 

	int a = 10;
00007FF60EC718AF  mov         dword ptr [rbp+4],0Ah  //将10存储到rbp+4的地址处，rbp+4的位置其实就是a变量

其他的两句同理：

 

接着往下看：

	c = Add(a, b);
00007FF60EC718C4  mov         edx,dword ptr [rbp+24h]  
00007FF60EC718C7  mov         ecx,dword ptr [rbp+4]  
00007FF60EC718CA  call        00007FF60EC71348  
00007FF60EC718CF  mov         dword ptr [rbp+44h],eax

 前面很好理解，就是将后面地址存的数据（其实不难发现，就是前面的a,b），读取到前面的寄存器；

对函数有很深的理解的同学就会发现，这不就是函数传参吗，对，确实是这样的；

我们不难发现，函数传参是从b到a即从右到左；

 我们这个时候监视变量页可以看看是否与我们预想的一样：

 与我们预想的一致（截图中显示的是16进制）

我们接着往下看，注意此时栈顶指针的值，和栈顶的值：

call的意思就要进入函数了，此时调试要进入函数就要摁F11了 

执行后：

 我们看到了，他不仅执行了一个压栈操作，压入的值不是一个随便的数，而是call的下一句代码的地址，这是为了执行完Add函数后可以回来：

3.进入自定义函数： 

int Add(int x, int y)
{
00007FF60EC717A0  mov         dword ptr [rsp+10h],edx  
00007FF60EC717A4  mov         dword ptr [rsp+8],ecx  
00007FF60EC717A8  push        rbp  
00007FF60EC717A9  push        rdi  
00007FF60EC717AA  sub         rsp,0E8h  
00007FF60EC717B1  mov         rbp,rsp  
	int z = 0;
00007FF60EC717B4  mov         dword ptr [rbp+4],0  
	z = x + y;
00007FF60EC717BB  mov         eax,dword ptr [rbp+0000000000000108h]  
00007FF60EC717C1  mov         ecx,dword ptr [rbp+0000000000000100h]  
00007FF60EC717C7  add         ecx,eax  
00007FF60EC717C9  mov         eax,ecx  
00007FF60EC717CB  mov         dword ptr [rbp+4],eax  
	return z;
00007FF60EC717CE  mov         eax,dword ptr [rbp+4]  
}
00007FF60EC717D1  lea         rsp,[rbp+00000000000000E8h]  
00007FF60EC717D8  pop         rdi  
00007FF60EC717D9  pop         rbp  
00007FF60EC717DA  ret

下面我们继续解读：

有了前面的基础我们理解起来就很容易了：

00007FF60EC717A0  mov         dword ptr [rsp+10h],edx  
00007FF60EC717A4  mov         dword ptr [rsp+8],ecx

 

 

00007FF60EC717A8  push        rbp  
00007FF60EC717A9  push        rdi  
00007FF60EC717AA  sub         rsp,0E8h  
00007FF60EC717B1  mov         rbp,rsp

 

 

	int z = 0;
00007FF60EC717B4  mov         dword ptr [rbp+4],0  
	z = x + y;
00007FF60EC717BB  mov         eax,dword ptr [rbp+0000000000000108h]  
00007FF60EC717C1  mov         ecx,dword ptr [rbp+0000000000000100h]  
00007FF60EC717C7  add         ecx,eax  
00007FF60EC717C9  mov         eax,ecx  
00007FF60EC717CB  mov         dword ptr [rbp+4],eax

 

00007FF60EC717CE  mov         eax,dword ptr [rbp+4] 
将rbp+4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。

 4. 函数栈帧的销毁

00007FF60EC717D1  lea         rsp,[rbp+0E8h]  
00007FF60EC717D8  pop         rdi  
00007FF60EC717D9  pop         rbp  
//弹出栈顶的值存放到rbp，栈顶此时的值恰好就是main函数的rbp，rsp+4，此时恢复了main函数的栈帧维//护，rsp指向main函数栈帧的栈顶，rbp指向了main函数栈帧的栈底。
00007FF60EC717DA  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rsp+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：

 继续执行下面的代码：

00007FF60EC718CF  mov         dword ptr [rbp+44h],eax
//将eax放到rbp+44h（c存的地方）

这里虽然后面还有不少的代码，我们不做了解了 

总结

这期比较抽象，小编写这章主要然大家了解函数的调用，现在，你能回答上面的问题了吗？

下期见！

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