函数栈帧
- 前言：
- 一、认识相关寄存器和汇编指令
- 1.寄存器（寄存器是集成在cpu上的）
- 2.汇编指令
- 二、函数栈帧创建和销毁的过程
- 1.main函数的调用
- 2.函数栈帧的创建
- 3.函数栈帧的销毁
前言：
为了深入学习C语言，也为了方便理解，我学习了函数栈帧。函数栈帧的创建和销毁能够让我更加深刻的了解编程逻辑和语法。我们学习语法和编程逻辑都是基于封装好的知识上得。因此，我们有必要对函数栈帧的创建和销毁进行学习。本篇博客将用来介绍函数栈帧的创建和销毁的过程，希望大家一起学习。如有不足之处，请大家多多指出，谢谢！
注意：
这里我使用的是vs2022和大家展示。不同编译器上展示的结果会有差异，但大体逻辑一样（也能起到参考的作用）。版本越高的编译器越不好观察，不容易观看函数栈帧创建和销毁的过程，封装过程也会复杂一下。
一、认识相关寄存器和汇编指令
1.寄存器（寄存器是集成在cpu上的）
eax：累加寄存器，相对于其他寄存器，在运算方面比较常用
ebx：基地址寄存器，在内存寻址时存放基地址。
ecx：计数寄存器，用于循环操作，如重复的字符存储操作或者数字统计。
edx：作为EAX的溢出寄存器，总是被用来放整数除法产生的余数。
esi：源变址寄存器，主要用于存放存储单元在段内的偏移量。通常在内存操作指令中作为“源地址指针”使用。
edi：目的变址寄存器，主要用于存放存储单元在段内的偏移量。
ebp：栈底指针
esp：栈顶指针
esp和ebp这两个寄存器中存放的是地址，这两个地址是用来维护函数栈帧得；esp和ebp用来维护函数栈帧时，正在调用什么函数，就会维护那个函数。
rbp,rsp(64位编译，对于32位编译是ebp,esp寄存器)这2个寄存器中存放的是地址，这2个地址是用来维护函数栈帧的。
2.汇编指令
push:
压栈，给栈顶放一个元素。（数据入栈，同时esp栈顶寄存器也要发生改变）
pop：
出栈，给栈顶删除一个元素。（数据弹出至指定位置，同时esp栈顶寄存器也要发生改变）
mov：数据转移指令。（后面的指针指向前面）
sub：减法命令。（前面的值减后面的值）
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。
lea：加载，把后面的有效地址加载到前面。
补充：
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
如图：
二、函数栈帧创建和销毁的过程
本次演示以vs2022为例
演示代码：
#include <stdio.h>
int ADD(int x,int y)
{
int z = x + y;
return z;
}
int main()
{
int a = 3,b=6,c=0;
c = ADD(a,b);
printf("%d\n", c);
return 0;
}
准备工作：
1）按F10进入函数调用模式：
2）打开调用堆栈，出现调用堆栈窗口：
3）在调用模式下右击鼠标后，单击转到反汇编，进入反汇编界面：
1.main函数的调用
main函数也可以被其他函数调用：
1）为了阅读方便，我们把“显示符号名”取消勾选。
2）按F10，从调用堆栈，我们可以看到main函数被别的函数调用：
main（）函数被invoke_main()函数调用；
invoke_main()函数被__scrt_common_main_seh() 函数调用；
__scrt_common_main_seh()函数被__scrt_common_main() 函数调用；
__scrt_common_main() 函数被mainCRTStartup(void * __formal) 函数调用。
注意：
编译器版本越高，反汇编越不容易观察，编译器版本过高，会优化。
2.函数栈帧的创建
1）汇编代码如下：
int main()
{
00CD18B0 push ebp
00CD18B1 mov ebp,esp
00CD18B3 sub esp,0E4h
00CD18B9 push ebx
00CD18BA push esi
00CD18BB push edi
00CD18BC lea edi,[ebp-24h]
00CD18BF mov ecx,9
00CD18C4 mov eax,0CCCCCCCCh
00CD18C9 rep stos dword ptr es:[edi]
00CD18CB mov ecx,0CDC008h
00CD18D0 call 00CD131B
int a = 3, b = 6,c = 0;
00CD18D5 mov dword ptr [ebp-8],3
00CD18DC mov dword ptr [ebp-14h],6
00CD18E3 mov dword ptr [ebp-20h],0
c = ADD(a,b);
00CD18EA mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00CD18ED push eax
00CD18EE mov ecx,dword ptr [ebp-8]
00CD18F1 push ecx
00CD18F2 call 00CD1217
00CD18F7 add esp,8
00CD18FA mov dword ptr [ebp-20h],eax
printf("%d\n", c);
00CD18FD mov eax,dword ptr [ebp-20h]
00CD1900 push eax
00CD1901 push 0CD7B30h
00CD1906 call 00CD10CD
00CD190B add esp,8
return 0;
00CD190E xor eax,eax
}
00CD1910 pop edi
00CD1911 pop esi
00CD1912 pop ebx
00CD1913 add esp,0E4h
00CD1919 cmp ebp,esp
00CD191B call 00CD1244
00CD1920 mov esp,ebp
00CD1922 pop ebp
00CD1923 ret
2)给main函数开辟空间
00CD18B0 push ebp /*压栈，栈顶放一个元素,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*/
00CD18B1 mov ebp,esp /*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*/
00CD18B3 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。*/
00CD18B9 push ebx //将寄存器ebx的值压栈，esp-4
00CD18BA push esi //将寄存器esi的值压栈，esp-4
00CD18BB 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ebp-0x24h到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为CCCCCCCCh
00CD18BC lea edi,[ebp-24h] //把后面有效的地址加载到前面空间里
00CD18BF mov ecx,9
00CD18C4 mov eax,0CCCCCCCCh /*每一次四个字节，总共出了*/
00CD18C9 rep stos dword ptr es:[edi] //word是一个字两个字节；dword是两个字，四个字节。
00CD18CB mov ecx,0CDC008h //把0CDC008h放在ecx里
00CD18D0 call 00CD131B //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
图示：
3）核心代码
int a = 3, b = 6,c = 0;//变量a,b,c的创建和初始化，这就是局部的变量的创建和初始化
00CD18D5 mov dword ptr [ebp-8],3
00CD18DC mov dword ptr [ebp-14h],6
00CD18E3 mov dword ptr [ebp-20h],0
c = ADD(a,b);
00CD18EA mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00CD18ED push eax
00CD18EE mov ecx,dword ptr [ebp-8]
00CD18F1 push ecx
00CD18F2 call 00CD1217
00CD18F7 add esp,8
00CD18FA mov dword ptr [ebp-20h],eax
1).给变量a、b、c创建初始化
int a = 3, b = 6,c = 0;//变量a,b,c的创建和初始化，这就是局部的变量的创建和初始化
00CD18D5 mov dword ptr [ebp-8],3 //把3放到ebp-8地址里
00CD18DC mov dword ptr [ebp-14h],6 //把6放到ebp-14h里
00CD18E3 mov dword ptr [ebp-20h],0 //把0放到ebp-20h里
图示：
2).调用Add函数
c = ADD(a,b);
00CD18EA mov eax,dword ptr [ebp-14h] //把ebp-14h里的值给eax
00CD18ED push eax //压栈，压一个元素，寄存器eax里压入ebp-14h里面的值
00CD18EE mov ecx,dword ptr [ebp-8] //把ebp-8里的值给ecx
00CD18F1 push ecx //压栈，压一个元素，寄存器exc里压入ebp-8里面的值
00CD18F2 call 00CD1217 /*这条指令是去调用ADD函数，把地址00CD18F7存放到地址00CD18F2里（call指令的下一条指令的地址）,按一下F11，进入被调函数ADD里（地址00CD1217），调用结束后，来到了下一条指令的地址处*/
00CD18F7 add esp,8
00CD18FA mov dword ptr [ebp-20h],eax
图示：
3).进入ADD函数（在call指令处按F11，然后再按一次F11）
这里我重新进入调试模式，所以地址的位置也就发生了变化，意思还是不变的。
int main()
{
00C518B0 push ebp
00C518B1 mov ebp,esp
00C518B3 sub esp,0E4h
00C518B9 push ebx
00C518BA push esi
00C518BB push edi
00C518BC lea edi,[ebp-24h]
00C518BF mov ecx,9
00C518C4 mov eax,0CCCCCCCCh
00C518C9 rep stos dword ptr es:[edi]
00C518CB mov ecx,0C5C008h
00C518D0 call 00C5131B
int a = 3, b = 6,c = 0;
00C518D5 mov dword ptr [ebp-8],3
00C518DC mov dword ptr [ebp-14h],6
00C518E3 mov dword ptr [ebp-20h],0
c = ADD(a,b);
00C518EA mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00C518ED push eax
00C518EE mov ecx,dword ptr [ebp-8]
00C518F1 push ecx
00C518F2 call 00C51217
00C518F7 add esp,8
00C518FA mov dword ptr [ebp-20h],eax
在按一下F11，进入ADD函数里
4).创建ADD函数栈帧
5).ADD函数的执行过程
int z = x + y;
00C51795 mov eax,dword ptr [ebp+8] //把ebp+8里面的值给eax
00C51798 add eax,dword ptr [ebp+0Ch] //eax里面的值加上ebp+0Ch地址里的值
00C5179B mov dword ptr [ebp-8],eax //eax的值放到ebp-8地址里
return z;
00C5179E mov eax,dword ptr [ebp-8] //eax相当于全局的寄存器，ebp-8的值放到寄存器里。
如图：
6)，函数栈帧创建的视图：
3.函数栈帧的销毁
1）ADD函数栈帧的销毁
00C517A1 pop edi //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+4
00C517A2 pop esi //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+4
00C517A3 pop ebx //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+4
00C517A4 add esp,0CCh /*将esp的地址加上0cch，相当于回收了ADD函数的栈帧空间*/
00C517AA cmp ebp,esp //判断有没有溢出
00C517AC call 00C51244 //call指令里放的是下一个指令的地址
00C517B1 mov esp,ebp //ebp里面的值放到esp里
00C517B3 pop ebp //出栈，弹出一个元素，dsp+4
00C517B4 ret /*call指令可以实现调用一个子程序，在子程序里使用ret指令，结束子程序的执行并返回主函数，让主函数继续往下执行*/
图示：
2).ADD函数栈帧销毁后，回到主函数：
调用完ADD函数，回到main函数的时候，继续往下执行，可以看到：
00C518F7 add esp,8 //esp直接+8，相当于跳过了main函数中压栈的
00C518FA mov dword ptr [ebp-20h],eax /*将eax中值，存档到ebp-20h的地址处，其实就是存储到main函数中c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。*/
printf("%d\n", c);
注意：
总结：
1为什么局部变量不初始化内容是随机的或者是"烫"？
因为在创建函数栈帧的时候，中间的地址的值都是不确定的，而如果访问一个未初始化的变量，指向这些不确定的值，就是随机值。而初始化为0CCCCCCCCh时，遇到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”。
2.函数调用时参数时如何传递的？传参的顺序是怎样的？
从创建局部变量的函数（比如main函数）栈帧中通过内存访问，储存在eax和ecx中再入栈（相当于临时拷贝）。
3.函数的形参和实参分别是怎样实例化的？
实参是在函数栈帧里通过ebp内存访问储存的值。形参是由ebp内存访问将栈中储存的临时变量。
4.函数调用结束后怎么返回值？
ADD函数中通过将在寄存器（eax）中相加得到的9，在移入ADD函数栈帧中c的地址位置，再将这个地址位置的值传给eax，在销毁ADD函数栈帧后，将eax中的值传给main函数栈帧中创建的c地址位置。
