【进阶】--函数栈帧的创建和销毁详解
目录
一.函数栈帧的概念
二.理解函数栈帧能让我们解决什么问题
三.相关寄存器和汇编指令知识点补充
四.函数栈帧的创建和销毁
4.1.调用堆栈
4.2.函数栈帧的创建
4.3 函数栈帧的销毁
一.函数栈帧的概念
--在C语言中，函数栈帧是指在函数调用过程中，在内存栈中为该函数分配的一块空间，用于存储函数的局部变量，参数，返回地址等信息。
栈帧的结构：
- 参数区:用于存放调用函数时传递给被调用函数的参数。
- 返回地址:记录函数调用结束后要返回的指令地址，以便函数执行完毕后能正确回到调用点继续执行。
- 局部变量区:存储函数内部定义的局部变量。
- ebp和esp相关区域:ebp指向当前栈帧的底部，esp指向当前栈帧的顶部，通过这两个指针来维护函数栈帧。
二.理解函数栈帧能让我们解决什么问题
--在前期的学习中，我们可能会产生很多困惑
比如:
- 局部变量是怎么创建的
- 为什么局部变量的值是随机值
- 函数是怎么传参的?传参的顺序是怎样的？
- 形参和实参是什么关系？
- 函数调用是怎么做的？
- 函数调用结束后是怎么返回的？
当我们理解函数栈帧的创建和销毁后，我们就可以更好的去解决这些问题，如同修练自己的内功，也方便在后期能搞懂更多的知识。
三.相关寄存器和汇编指令知识点补充
相关寄存器:
- eax:通用寄存器，保留临时数据，常用于函数返回值
- ebx:通用寄存器，保留临时数据
- eip:指令寄存器，用于存储下一条要执行的指令的地址
- ebp:栈底寄存器
- esp:栈顶寄存器
相关汇编指令:
- push:将操作数压入栈中，栈顶指针esp也会相应调整
- pop:从栈中弹出数据到指定的位置，栈顶指针esp也会相应调整
- mov:数据传送指令，用于在寄存器之间，寄存器与内存之间传送数据
- add:加法指令，用于将两个操作数相加，结果存放于指定的寄存器中
- sub:减法指令，用于将两个操作数相减，结果存放于指定的寄存器中
- call:过程调用，压入返回地址或转入调用函数
- lea:加载有效地址指令，将操作数的地址加载到指定的寄存器中
- ret:返回地址指令，回到调用位置
四.函数栈帧的创建和销毁
4.1.调用堆栈
代码如下:
#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;
}这段代码我们在vs2022上调试的话，调试进入add函数后，我们就可以观察到函数的调用堆栈(右击勾选，显示外部代码) ，如下图所示
函数调用堆栈是可以反馈函数调用逻辑的，我们可以清晰的观察到，是由invoke_main函数来调用main函数的 ，在此之间的我们就不过多的去考虑了，我们接下来直接从main函数的栈帧创建开始。
4.2.函数栈帧的创建
--当函数每次被调用时，系统都会在栈上为该函数分配一块栈帧空间。首先将调用函数的相关信息，如参数，返回地址等压入栈中，然后调整ebp和esp，为局部变量分配空间
我们先将main函数转到反汇编--调试到main函数第一行时，右键鼠标转到反汇编，反汇编代码如下
int main()
{
//函数栈帧的创建
005518D0 push ebp
005518D1 mov ebp,esp
005518D3 sub esp,0E4h
005518D9 push ebx
005518DA push esi
005518DB push edi
005518DC lea edi,[ebp-24h]
005518DF mov ecx,9
005518E4 mov eax,0CCCCCCCCh
005518E9 rep stos dword ptr es:[edi]
005518EB mov ecx,55C008h
005518F0 call 0055132F
005518F5 nop
//main函数中的主要代码int a = 10;
005518F6 mov dword ptr [ebp-8],0Ah int b = 20;
005518FD mov dword ptr [ebp-14h],14h int c = 0;
00551904 mov dword ptr [ebp-20h],0 c = Add(a, b);
0055190B mov eax,dword ptr [ebp-14h]
0055190E push eax
0055190F mov ecx,dword ptr [ebp-8]
00551912 push ecx
00551913 call 005510B9
00551918 add esp,8
0055191B mov dword ptr [ebp-20h],eax
------------------------------------------------------------ printf("%d\n", c);
0055191E mov eax,dword ptr [ebp-20h]
00551921 push eax
00551922 push 557B30h
00551927 call 005510D7
0055192C add esp,8 return 0;
0055192F xor eax,eax
}我们可以将上面main函数的函数栈帧创建过程的主要部分单独拆解出来看看，代码如下
005518D0 push ebp
//把ebp寄存器中的值进行压栈，到了esp-4的位置，此时的ebp中存放的是invoke_main函数栈帧的ebp
005518D1 mov ebp,esp
//将esp的值存放到ebp中，相当于ebp来到了invoke_main函数栈帧的esp位置，产生了main函数的ebp
005518D3 sub esp,0E4h
//将esp中的地址减去一个16进制数字0E4h，esp向上移动，产生了新的esp，也就是main函数的esp
//结合上面产生的ebp之后，ebp和esp之间就维护了一块为main函数开辟的栈帧空间
005518D9 push ebx
//将寄存器ebx中的值压栈，esp-4，esp向上移动
005518DA push esi
//将寄存器epi中的值压栈，esp-4，esp继续向上移动
005518DB push edi
//将寄存器edi中的值压栈，esp-4，esp接着向上移动
005518DC lea edi,[ebp-24h]
005518DF mov ecx,9
005518E4 mov eax,0CCCCCCCCh
005518E9 rep stos dword ptr es:[edi]
//以上这四串代码是在初始化main函数的栈帧空间
//1.先将ebp-24h的地址加载到edi中
//2.将9放入ecx中
//3.将0xCCCCCCCC放入eax中
//4.将从ebp-24h到ebp之间ecx个4个字节的数字初始化为0xCCCCCCCC
接下来再来分析main函数中的主要代码
int a = 10;
005518F6 mov dword ptr [ebp-8],0Ah
//将0Ah存储到ebp-8这个地址中，ebp-8的位置其实就是变量aint b = 20;
005518FD mov dword ptr [ebp-14h],14h
//将14h存储到ebp-14h这个地址中，ebp-14h的位置其实就是变量bint c = 0;
00551904 mov dword ptr [ebp-20h],0
//将0存储到ebp-20h这个地址中，ebp-20h的位置其实就是变量c
以上就是局部变量在其所在函数的栈帧空间中创建和初始化的过程c = Add(a, b);
0055190B mov eax,dword ptr [ebp-14h]
// 先传参b，将ebp-14h位置中b的值存储到eax中
0055190E push eax
//将eax的值压栈，esp-4，向上移动
0055190F mov ecx,dword ptr [ebp-8]
//再传参a，将ebp-8位置中a的值存储到ecx中
00551912 push ecx
//将ecx的值压栈，esp-4，继续向上移动 //跳转调用函数
00551913 call 005510B9
//call指令会将call指令的下一条指令的地址进行压栈操作
//这样做可以让函数调用结束后回到call的下一条指令地址后继续执行
00551918 add esp,8
0055191B mov dword ptr [ebp-20h],eax
call指令会执行函数调用逻辑，这个时候我们会跳转到Add函数中，我们再来观察Add函数的反汇编代码
int Add(int x, int y)
{
00551790 push ebp
00551791 mov ebp,esp
00551793 sub esp,0CCh
00551799 push ebx
0055179A push esi
0055179B push edi
0055179C lea edi,[ebp-0Ch]
0055179F mov ecx,3
005517A4 mov eax,0CCCCCCCCh
005517A9 rep stos dword ptr es:[edi]
005517AB mov ecx,55C008h
005517B0 call 0055132F
005517B5 nop int z = 0;
005517B6 mov dword ptr [ebp-8],0 z = x + y;
005517BD mov eax,dword ptr [ebp+8]
005517C0 add eax,dword ptr [ebp+0Ch]
005517C3 mov dword ptr [ebp-8],eax return z;
005517C6 mov eax,dword ptr [ebp-8]
}
005517C9 pop edi
005517CA pop esi
005517CB pop ebx
005517CC add esp,0CCh
005517D2 cmp ebp,esp
005517D4 call 00551253
005517D9 mov esp,ebp
005517DB pop ebp
005517DC ret 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，与前面main函数的栈帧空间创建过程差不多，这里就不详细讲述了，主要是计算求和的时候我们通过偏移访问，访问到了函数调用前压栈进去的参数，这就是形参访问，很好说明了形参就是实参的一份临时拷贝，最后将求出的和通过eax寄存器中带回。
z = x + y;
005517BD mov eax,dword ptr [ebp+8]
// 将ebp+8地址处的数字存储到eax中
005517C0 add eax,dword ptr [ebp+0Ch]
// 将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中
005517C3 mov dword ptr [ebp-8],eax
//将eax的结果保存到ebp-8的地址处，其实就是放到z中return z;
005517C6 mov eax,dword ptr [ebp-8]
//将ebp-8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，通过eax寄存器带回计算的结果
4.3 函数栈帧的销毁
--函数执行完毕后，栈帧被销毁，通过恢复ebp和esp的值，释放栈帧空间，将控制权返回给调用函数，继续执行调用函数中调用之后的代码
当函数调用结束后，前面创建的函数栈帧要销毁，我们来看看Add函数的这部分反汇编代码吧
005517C9 pop edi //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+4,向下移
005517CA pop esi //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+4，向下移
005517CB pop ebx //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+4,向下移
005517CC add esp,0CCh //esp+0cch，向下移
005517D2 cmp ebp,esp //esp的值给ebp，ebp来到了esp的位置
005517D4 call 00551253
005517D9 mov esp,ebp //再将ebp的值给了esp，回收了Add函数的栈帧空间
005517DB pop ebp
//弹出栈顶的值存放到ebp，栈顶此时的值恰好就是main函数的ebp，esp+4,恢复了main函数栈帧空间的维护
005517DC 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esp+4，向下移动，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指令下一条指令的地方
调用完后继续回到main函数后继续执行这两串代码，函数的返回值通过eax带了出来，其中就是x+y的和z，也就是a+b的和c。
结语：本篇文章就到此结束了，对于函数栈帧的创建与销毁，个人能力有限，欢迎大家进行补充，一起交流学习，感谢大家的支持！