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1. 什么是函数栈帧2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢?3. 函数栈帧的创建和销毁解析3.1 什么是栈?3.2 认识相关寄存器和汇编指令相关寄存器相关汇编命令 3.3 解析函数栈帧的创建和销毁3.3.1 预备知识3.3.2 函数的调用堆栈3.3.4 准备环境3.3.5 转到反汇编3.3.6 函数栈帧的创建3.3.7 函数栈帧的销毁前言
观察函数栈帧的创建和销毁,不要使用太高级别的的编译器,越高级的编译器越不容易学习和观察。同时在不同编译器下,函数调用的过程中栈帧的创建是略有差异的,具体细节取决于编译器的实现
1. 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:
2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢?
理解函数栈帧有什么用呢?
只要理解了函数栈帧的创建和销毁,以下问题就能够很好的额理解了:
3. 函数栈帧的创建和销毁解析
3.1 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。
3.2 认识相关寄存器和汇编指令
相关寄存器
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
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
3.3 解析函数栈帧的创建和销毁
3.3.1 预备知识
首先我们达成一些预备知识才能有效的帮助我们理解,函数栈帧的创建和销毁。
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。
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。
如图所示:
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VS2019为例。
3.3.2 函数的调用堆栈
演示代码:
#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;}
这段代码,如果我们在VS2019编译器上调试,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:
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。
那我们可以确定, invoke_main
函数应该会有自己的栈帧, main
函数和 Add
函数也会维护自己的栈
帧,每个函数栈帧都有自己的 ebp
和 esp
来维护栈帧空间。
那接下来我们从main函数的栈帧创建开始讲解:
3.3.4 准备环境
为了让我们研究函数栈帧的过程足够清晰,不要太多干扰,我们可以关闭下面的选项,让汇编代码中排除一些编译器附加的代码:
3.3.5 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,课件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。
int main(){ //函数栈帧的创建00BE1820 push ebp00BE1821 mov ebp,esp00BE1823 sub esp,0E4h00BE1829 push ebx00BE182A push esi00BE182B push edi00BE182C lea edi,[ebp-24h]00BE182F mov ecx,900BE1834 mov eax,0CCCCCCCCh00BE1839 rep stos dword ptr es:[edi]//main函数中的核心代码 int a = 3;00BE183B mov dword ptr [ebp-8],3 int b = 5;00BE1842 mov dword ptr [ebp-14h],5 int ret = 0;00BE1849 mov dword ptr [ebp-20h],0 ret = Add(a, b);00BE1850 mov eax,dword ptr [ebp-14h]00BE1853 push eax00BE1854 mov ecx,dword ptr [ebp-8]00BE1857 push ecx00BE1858 call 00BE10B400BE185D add esp,800BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax printf("%d\n", ret);00BE1863 mov eax,dword ptr [ebp-20h]00BE1866 push eax00BE1867 push 0BE7B30h00BE186C call 00BE10D200BE1871 add esp,8 return 0;00BE1874 xor eax,eax}
3.3.6 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
00BE1820 push ebp //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-400BE1821 mov ebp,esp //move指令会把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esp00BE1823 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。00BE1829 push ebx //将寄存器ebx的值压栈,esp-400BE182A push esi //将寄存器esi的值压栈,esp-400BE182B 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edp-0x2h到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为0xCC00BE182C lea edi,[ebp-24h]00BE182F mov ecx,900BE1834 mov eax,0CCCCCCCCh00BE1839 rep stos dword ptr es:[edi]
上面的这段代码最后4句,等价于下面的伪代码:
edi = ebp-0x24;ecx = 9;eax = 0xCCCCCCCC;for(; ecx = 0; --ecx,edi+=4){ *(int*)edi = eax;}
小知识:烫烫烫~
之所以上面的程序输出“烫”这么一个奇怪的字,是因为main函数调用时,在栈区开辟的空间的其中每一个字节都被初始化为0xCC,而arr数组是一个未初始化的数组,恰好在这块空间上创建的,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”。
接下来我们再分析main函数中的核心代码:
int a = 3;00BE183B mov dword ptr [ebp-8],3 //将3存储到ebp-8的地址处,ebp-8的位置其实就是a变量 int b = 5;00BE1842 mov dword ptr [ebp-14h],5 //将5存储到ebp-14h的地址处,ebp-14h的位置其实是b变量 int ret = 0;00BE1849 mov dword ptr [ebp-20h],0 //将0存储到ebp-20h的地址处,ebp-20h的位置其实是ret变量//以上汇编代码表示的变量a,b,ret的创建和初始化,这就是局部的变量的创建和初始化//其实是局部变量的创建时在局部变量所在函数的栈帧空间中创建的//调用Add函数 ret = Add(a, b);//调用Add函数时的传参//其实传参就是把参数push到栈帧空间中00BE1850 mov eax,dword ptr [ebp-14h] //传递b,将ebp-14h处放的5放在eax寄存器中 00BE1853 push eax //将eax的值压栈,esp-400BE1854 mov ecx,dword ptr [ebp-8] //传递a,将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中00BE1857 push ecx //将ecx的值压栈,esp-4//跳转调用函数00BE1858 call 00BE10B400BE185D add esp,800BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax
Add函数的传参
//调用Add函数 ret = Add(a, b);//调用Add函数时的传参//其实传参就是把参数push到栈帧空间中,这里就是函数传参00BE1850 mov eax,dword ptr [ebp-14h] //传递b,将ebp-14h处放的5放在eax寄存器中00BE1853 push eax //将eax的值压栈,esp-400BE1854 mov ecx,dword ptr [ebp-8] //传递a,将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中00BE1857 push ecx //将ecx的值压栈,esp-4//跳转调用函数00BE1858 call 00BE10B400BE185D add esp,800BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax
函数调用过程
//跳转调用函数00BE1858 call 00BE10B400BE185D add esp,800BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax
call
指令是要执行函数调用逻辑的,在执行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,这个操作是为了解决当函数调用结束后要回到call指令的下一条指令的地方,继续往后执行。
当我们跳转到Add函数,就要开始观察Add函数的反汇编代码了。
int Add(int x, int y){00BE1760 push ebp //将main函数栈帧的ebp保存,esp-400BE1761 mov ebp, esp //将main函数的esp赋值给新的ebp,ebp现在是Add函数的ebp00BE1763 sub esp, 0CCh //给esp-0xCC,求出Add函数的esp00BE1769 push ebx //将ebx的值压栈,esp-400BE176A push esi //将esi的值压栈,esp-400BE176B push edi //将edi的值压栈,esp-4int z = 0;00BE176C mov dword ptr[ebp - 8], 0 //将0放在ebp-8的地址处,其实就是创建zz = x + y;//接下来计算的是x+y,结果保存到z中00BE1773 mov eax, dword ptr[ebp + 8] //将ebp+8地址处的数字存储到eax中00BE1776 add eax, dword ptr[ebp + 0Ch] //将ebp+12地址处的数字加到eax寄存中00BE1779 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;00BE177C 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,这里是想通过eax寄存器带回计算的结果,做函数的返回值。} 00BE177F pop edi00BE1780 pop esi00BE1781 pop ebx00BE1782 mov esp, ebp00BE1784 pop ebp00BE1785 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。
在Add函数中创建栈帧的方法和在main函数中是相似的,在栈帧空间的大小上略有差异而已。
ebp
压栈计算新的 ebp
和 esp
将 ebx
, esi
, edi
寄存器的值保存计算求和,在计算求和的时候,我们是通过 ebp
中的地址进行偏移访问到了函数调用前压栈进去的参数,这就是形参访问。将求出的和放在 eax 寄存器尊准备带回![在这里插入图片描述](http://zhangshiyu.com/zb_users/upload/2023/04/20230416134842168162412222628.png)
图片中的 a’ 和 b’ 其实就是 Add 函数的形参 x , y 。这里的分析很好的说明了函数的传参过程,以及函数在进行值传递调用的时候,形参其实是实参的一份拷贝。对形参的修改不会影响实参。
3.3.7 函数栈帧的销毁
当函数调用要结束返回的时候,前面创建的函数栈帧也开始销毁。
那具体是怎么销毁的呢?我们看一下反汇编代码。
00BE177F pop edi //在栈顶弹出一个值,存放到edi中,esp+400BE1780 pop esi //在栈顶弹出一个值,存放到esi中,esp+400BE1781 pop ebx //在栈顶弹出一个值,存放到ebx中,esp+400BE1782 mov esp, ebp //再将Add函数的ebp的值赋值给esp,相当于回收了Add函数的栈帧空间00BE1784 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,此时恢复了main函数的栈帧维护,esp指向main函数栈帧的栈顶,ebp指向了main函数栈帧的栈底。00BE1785 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,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:
但调用完Add函数,回到main函数的时候,继续往下执行,可以看到:
00BE185D add esp, 8 //esp直接+8,相当于跳过了main函数中压栈的a'和b'00BE1860 mov dword ptr[ebp - 20h], eax //将eax中值,存档到ebp-0x20的地址处,其实就是存储到main函数中ret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。
拓展了解:
其实返回对象时内置类型时,一般都是通过寄存器来带回返回值的,返回对象如果时较大的对象时,一般会在主调函数的栈帧中开辟一块空间,然后把这块空间的地址,隐式传递给被调函数,在被调函数中通过地址找到主调函数中预留的空间,将返回值直接保存到主调函数的。具体可以参考《程序员的自我修养》一书的第10章。
到这里我给大家完整的演示了main函数栈帧的创建,Add函数站真的额创建和销毁的过程,相信大家已经能够基本理解函数的调用过程,函数传参的方式,如果这篇博客对你有帮助记得给七七点赞三连哦!