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-400CD18BA push esi //将寄存器esi的值压栈,esp-400CD18BB 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CCCCCCCCh00CD18BC 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:
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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:
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2).调用Add函数 c = ADD(a,b);00CD18EA mov eax,dword ptr [ebp-14h] //把ebp-14h里的值给eax00CD18ED 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:
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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
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4).创建ADD函数栈帧
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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eax00C51798 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:
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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+400C517A2 pop esi //在栈顶弹出一个值,存放到esi中,esp+400C517A3 pop ebx //在栈顶弹出一个值,存放到ebx中,esp+400C517A4 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+400C517B4 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:
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2).ADD函数栈帧销毁后,回到主函数:
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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:
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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。
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