C语言代码函数栈帧的创建与销毁(修炼内功)

news2024/11/24 20:09:50

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在前期的学习中我们可能有很多困惑
例如:局部变量是怎么创建的
为什么局部变量的值是随机值
函数是怎么样传参的 传参的顺序是什么
形参和实参的关系是什么
函数调用是怎么做的
函数掉调用结束后怎么返回的

这篇博客我们来修炼自己的内功,掌握好这篇博客的大部分知识就已经很不错了
我们用到VS2013这个编译器,目的是为了看到更详细的函数封装内容 提示不要使用太过高级的编译器,因为越高级的编译器越不容易观察。同时这里需要注意的是在不同的编译器下,函数调用过程中栈帧的创建是略有差异的,不是完全相同的,具体细节取决于编译器

一、基础知识

1.1 什么是栈区?
C/C++程序内存分配的几个区域:
//1. 栈区(stack):
在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
//2. 堆区(heap):
一般由程序员分配释放, 若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。
//3. 数据段(静态区)(static):
存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
//4. 代码段:
存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码

接下来,补充一下栈的知识,了解到这就可以了,足够使用了
栈区的使用是从高地址到低地址
栈区的使用遵循先进后出,后进先出
栈区的放置是从高地址往低地址放置:push 是压栈
删除是从低往高删除:pop 是出栈

1.2 寄存器

这里简单介绍一些寄存器,其它的先不要过多理解
常见寄存器有eax、ebx、ecx、edx,这四个都当做通用寄存器,保留临时数据,ebp和esp较为特殊

**eax “累加器” 它是很多加法乘法指令的缺省寄存器。
ebx "基地址"寄存器, 在内存寻址时存放基地址。
ecx 计数器,是重复(REP)前缀指令和LOOP指令的内定计数器。
edx 总是被用来放整数除法产生的余数。
esi 源索引寄存器
edi
目标索引寄存器
ebp (栈底指针)“基址指针”,存放的是地址,用来维护函数栈帧
esp (栈顶指针)专门用作堆栈指针,存放的是地址,用来维护函数栈帧
使用的测试代码

#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;
}

接下来还有一些汇编代码的含义:
mov:mov是数据传送指令(move的缩写),用于将一个数据从源地址传送到目标地址
sub:减法,subtraction的缩写
lea:Load effective address的缩写,取有效地址
call:用于调用其他函数
add:加法
pop:出栈
push:入栈或压栈

二、函数栈帧的创建和销毁的过程

_tmainCRTStartup函数(调用main函数)栈帧的创建
先了解 main 函数是被谁调用的,按 F10 或 F11 进入调试模式,F10是逐过程,F11是逐语句,打开堆栈

在这里插入图片描述
这时我们按住F10调试起来,右击鼠标转到反汇编就会呈现下图样式
在这里插入图片描述

_tmainCRTStartup函数(调用main函数)栈帧的创建

按F10,按到return 0 时再按一次,调用栈堆会出现以下内容
这时再看堆栈窗口发现 main 函数被 __tmainCRTStartup() 调用

在这里插入图片描述

main函数栈帧的创建

push        ebp  //在栈顶开辟ebp寄存器对应的空间
 mov         ebp,esp  //将esp的值传入ebp中(即将ebp指针移动到原本esp指向的位置)
 sub         esp,0E4h  //将esp的内容减去0E4h(将esp移动到原esp-0E4h的位置)
 push        ebx  //在栈顶放入ebx
 push        esi  //在栈顶放入esi
 push        edi  //在栈顶放入edi

此时进入main函数(也就是程序调试开始),首先要 push ebp 进行压栈,ebp 在 __tmainCRTStartup() 上面压栈
观察esp ebp 地址的变化,在调试的监视里面查看,push ebp 之后,esp 指向的位置也随之改变 (地址减小)

看下图
在这里插入图片描述
先看最开始的几个步骤
push:先在栈顶压一个ebp
move:把esp的值给了ebp(将地址传给ebp)
sub:给esp减去一个0E4h(八进制位数)这个值,减去一个0E4h的值后值变小了(地址变小了),那么此时ebp就指向了栈顶低地址
lea:load effective address(加载有效地址),ebp-0E4h就是再main函数的栈顶,为什么呢,这是因为我们前几个步骤在算的时候,esp在减去了一个0E4h之后就已经到达了栈顶,前面又把esp的值(地址)赋值给了ebp,所以理所当然的到达了栈顶

在这里插入图片描述
再将ebx esi edi分别压栈压在栈顶
大家可以边调式边看我给大家写的步骤,我如果一边写一边画图会很不方便,大家可以先跟着我的步骤先自己尝试着画一下,我在博客的最后给大家画了完整的图供大家参考
再看下面几个步骤,这里大家再最后几个步骤理解起来有点困难,我这里用通俗易懂的语句给大家解释一下,这里的eax存放的是0CCCCCCCCh这个值,从edi开始向下的ecx里面放的值全部放成CCCCCCCC这个值,这里再强调一遍word–2个字节,dword–4个字节,希望大家能够理解!!!
最上面是低地址,最下面是高地址

在这里插入图片描述
这就是为什么我们再VS编译器上面经常打印处烫烫烫烫,就是因为最开始没有在main函数里面定义变量的时候里面放的都是随机值,当然在不同的编译器上面效果不同
在这里插入图片描述

main函数内执行有效代码

mov         ecx,0ECC003h  
call        00EC131B  
	int a = 10;
mov         dword ptr [ebp-8],0Ah  
	int b = 20;
mov         dword ptr [ebp-14h],14h  
	int c = 0;
mov         dword ptr [ebp-20h],0  

mov这个意思我们上面已经讲到了,比如a,将14h(十六进制数也就是20,自己可以计算一下,116加上416的0次方),将20这个数字放到ebp-8这个地址里面,dword–4个字节,见下面我画的图大家就能理解
mov eax,dword ptr [ebp-14h] ,把 ebp-14h 的值0000 0014(十进制是20)放到 eax 里去
push eax ,压栈 eax(20),esp指向的位置也随之改变 (地址减小)
mov ecx,dword ptr [ebp-8] ,把 ebp-8 的值0000000a(十进制是10) 放到 ecx 里去
push ecx ,压栈 ecx(10),esp指向的位置也随之改变 (地址减小)

步骤演示图

在这里插入图片描述
接下来为call 指令,按下F11,此时就正式进入Add函数内部 并为其开辟栈帧

Add函数栈帧的创建

按 F11,进入到 Add 函数 ,该add 函数地址不一定与main 函数地址相连,但是add 函数的地址一定在main 函数地址上面

 call        00EC131B  

call 指令调用 Add 函数,这里逐语句(F11)执行,发现这里竟然存储着下一条指令的地址,事实上 call 指令把下一条指令的地址压栈了(为了 Add 函数结束后能找回来),esp 地址也跟着变化
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

进入 Add 函数前,会先为 Add 函数开辟函数栈帧,这这些操作跟先前main函数开辟函数栈帧操作一样,所以这里就不细谈了

push    ebp//将ebp上移
mov     ebp,esp//将esp内容放入ebp(移动ebp)
sub     esp,0CCh//esp-0CCh(为Add开辟空间)
push    ebx//在栈顶放入ebx
push    esi//在栈顶放入esi
push    edi//在栈顶放入edi
lea      edi,[ebp-0Ch]//ebp-0Ch的空间  
mov      ecx,3//3存入ecx  
mov      eax,0CCCCCCCCh//存入eax  
rep stos  dword ptr es:[edi]//esp往下0ch的空间进行赋值

首先,push ebp把ebp压栈到栈顶,再mov把esp赋给ebp,再sub,把esp-去0CCh,此步骤就是在为Add函数开辟空间,接着进行三次push,同main函数那样,同理,依旧是赋值为CCCCCCCC,详细过程不再赘述,跟上文main函数一样,如图所示:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

Add函数内执行有效代码

 mov         ecx,0ECC003h  
 call        00EC131B  
	int z = 0;
 mov         dword ptr [ebp-8],0  //把 0 初始化到 ebp-8 的位置

在这里插入图片描述

	z = x + y;
 mov         eax,dword ptr [ebp+8]  //把 ebp+8 的值 10 放到 eax 里
 add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  //把 ebp+0ch 的值 20 和 eax 的值 10 相加
 mov         dword ptr [ebp-8],eax  //把 eax 的值 30 放到 ebp-8(z) 里去
	return z;
 mov         eax,dword ptr [ebp-8]  //把 ebp-8 的值 30 放到 eax 里去

在这里插入图片描述

Add函数栈帧的销毁

mov eax,dword ptr [ebp-8] ,把ebp-8的值(30)放到eax里头去
pop edi ,出栈,释放为edi创建的栈区,地址开始增大
pop esi ,出栈,释放为esi创建的栈区,地址继续增大
pop ebx ,出栈,释放为exb创建的栈区,地址继续增大
执行一次pop,esp就会往高地址处移动一次
此时我的Add函数内部的CCCCCCCC这一些随机值就没有用了
mov将ebp的值赋值给esp,esp就指向高地址处了,ebp前面的Add函数的函数栈帧就销毁了,希望大家能够理解
然后我们再pop(出栈)一下,ebp就走了,就回到了main函数的低地址,此时我们的esp就来代替edp的位置,希望大家能够理解

在这里插入图片描述
最后我们看ret,我们此时回到了低地址处00C21450,这里面的逻辑其实是非常严谨的,我既要走出去也要走回来,我们接着从call指令处开始执行
然后执行add+8就是往高地址处走两步,dword是8个字节,地址往后+2个,这样就把我们形参中a,b给销毁了

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
mov esp,ebp ,ebp的值赋给esp,此时esp和ebp依旧相同
pop ebp ,弹出ebp,并将ebp所指向的main函数的起始地址赋值给了ebp指针,esp指针向高位移动,esp和ebp重新开始维护main函数的栈区空间
ret ,返回到main函数,在执行 ret 指令时,esp指针就指向了栈顶存放的call指令的下一条指令的地址

此时Add函数的栈帧算是真正销毁
在这里插入图片描述

main函数代码继续执行

在这里插入图片描述
mov dword ptr [ebp-20h],eax ,把eax的值放到ebp-20h上,而eax就是我们出Add函数时计算的和
接下来就是打印值和 main函数函数栈帧销毁,都与上面类似

所需反汇编代码总览

Add 函数

int Add(int x, int y)
{
 push        ebp  
 mov         ebp,esp  
 sub         esp,0CCh  
 push        ebx  
 push        esi  
 push        edi  
 lea         edi,[ebp-0Ch]  
 mov         ecx,3  
 mov         eax,0CCCCCCCCh  
 rep stos    dword ptr es:[edi]  
 mov         ecx,0ECC003h  
 call        00EC131B  
	int z = 0;
 mov         dword ptr [ebp-8],0  
	z = x + y;
 mov         eax,dword ptr [ebp+8]  
 add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  
 mov         dword ptr [ebp-8],eax  
	return z;
 mov         eax,dword ptr [ebp-8]  
}
 pop         edi  
 pop         esi  
 pop         ebx  
 add         esp,0CCh  
 cmp         ebp,esp  
 call        00EC1244  
 mov         esp,ebp  
 pop         ebp  
 ret  

main函数

int main()
{
 push        ebp  
 mov         ebp,esp  
 sub         esp,0E4h  
 push        ebx  
 push        esi  
 push        edi  
 lea         edi,[ebp-24h]  
 mov         ecx,9  
 mov         eax,0CCCCCCCCh  
 rep stos    dword ptr es:[edi]  
 mov         ecx,0ECC003h  
 call        00EC131B  
	int a = 10;
 mov         dword ptr [ebp-8],0Ah  
	int b = 20;
 mov         dword ptr [ebp-14h],14h  
	int c = 0;
 mov         dword ptr [ebp-20h],0  
	c = Add(a, b);
 mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
 push        eax  
 mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
 push        ecx  
 call        00EC10B4  
 add         esp,8  
 mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
	printf("%d\n", c);
 mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
 push        eax  
 push        0EC7B30h  
 call        00EC10D2  
 add         esp,8  
	return 0;
 xor         eax,eax  
}
 pop         edi  
 pop         esi  
 pop         ebx  
 add         esp,0E4h  
 cmp         ebp,esp  
 call        00EC1244  
 mov         esp,ebp  
 pop         ebp  
 ret  

这次我们明显感觉难度大了起来,这正是我们修炼内功,变强的过程

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