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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:
- 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)
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理解了:
- 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。
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。
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。
如图所示:
3. 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,此处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 ebp 00BE1821 mov ebp, esp 00BE1823 sub esp, 0E4h 00BE1829 push ebx 00BE182A push esi 00BE182B push edi 00BE182C lea edi, [ebp - 24h] 00BE182F mov ecx, 9 00BE1834 mov eax, 0CCCCCCCCh 00BE1839 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 eax 00BE1854 mov ecx, dword ptr[ebp - 8] 00BE1857 push ecx 00BE1858 call 00BE10B4 00BE185D add esp, 8 00BE1860 mov dword ptr[ebp - 20h], eax printf("%d\n", ret); 00BE1863 mov eax, dword ptr[ebp - 20h] 00BE1866 push eax 00BE1867 push 0BE7B30h 00BE186C call 00BE10D2 00BE1871 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代码。
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 - 4 00BE1821 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esp 00BE1823 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-4 00BE182A push esi //将寄存器esi的值压栈,esp-4 00BE182B 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0xCC 00BE182C lea edi, [ebp - 24h] 00BE182F mov ecx, 9 00BE1834 mov eax, 0CCCCCCCCh 00BE1839 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-4 00BE1854 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 00BE10B4 00BE185D add esp, 8 00BE1860 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-4 00BE1854 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 00BE10B4 00BE185D add esp, 8 00BE1860 mov dword ptr[ebp - 20h], eax
函数调用过程
//跳转调用函数 00BE1858 call 00BE10B4 00BE185D add esp,8 00BE1860 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-4 00BE1761 mov ebp, esp //将main函数的esp赋值给新的ebp,ebp现在是Add函数的ebp 00BE1763 sub esp, 0CCh //给esp-0xCC,求出Add函数的esp 00BE1769 push ebx //将ebx的值压栈,esp-4 00BE176A push esi //将esi的值压栈,esp-4 00BE176B push edi //将edi的值压栈,esp-4 int 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z z = 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 edi 00BE1780 pop esi 00BE1781 pop ebx 00BE1782 mov esp, ebp 00BE1784 pop ebp 00BE1785 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。
- 1. 将main函数的 ebp 压栈。
- 2. 计算新的 ebp 和 esp。
- 3. 将 ebx , esi , edi 寄存器的值保存。
- 4. 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。
- 5. 将求出的和放在 eax 寄存器中准备带回。
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+4 00BE1780 pop esi //在栈顶弹出一个值,存放到esi中,esp+4 00BE1781 pop ebx //在栈顶弹出一个值,存放到ebx中,esp+4 00BE1782 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。
4. 问题解答
局部变量是如何创建的?
首先为局部变量所在的函数分配一块内存空间,并初始化一部分空间的值为0xcccccccc(此处是VS2019编译器初始的值,不同的编译器可能有所不同),再为局部变量分配空间。
为什么局部变量不初始化内容是随机的?
在开辟好栈帧空间后,会将部分空间的值初始化为0xcccccccc,而为局部变量开辟的空间就是这些已经初始化的空间,不初始化局部变量的值,那么默认就是随机值(VS2019中是0xcccccccc)。
函数调用时参数时如何传递的?传参的顺序是怎样的?
在调用函数前,先将函数参数从后向前依次压栈,而进入函数后,通过指针的偏移量找到形参。
函数的形参和实参分别是怎样实例化的?
形参的实例化:形式参数是指函数名后括号中的变量,因为形式参数只有在函数被调用的过程中才实例化(分配内存单元),所以叫形式参数。形式参数当函数调用完成之后就自动销毁了。
实参的实例化:实参是函数调用时传递给函数的值,它们可以是常量、变量或表达式。
函数的返回值是如何带会的?
函数调用结束会通过下一条指令的地址返回,这也就是为什么要压栈下一条指令的地址。在返回前会将计算好的值放在eax(寄存器)中。
总结
本篇博客就结束啦,谢谢大家的观看,如果公主少年们有好的建议可以留言喔,谢谢大家啦!