C语言——详解函数栈帧的创建和销毁

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了C语言——详解函数栈帧的创建和销毁。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

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:
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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:
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2)打开调用堆栈,出现调用堆栈窗口:
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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:
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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。
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2)按F10,从调用堆栈,我们可以看到main函数被别的函数调用:
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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

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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

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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:
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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  

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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:
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6),函数栈帧创建的视图:
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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:
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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);

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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。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-530912.html

到了这里,关于C语言——详解函数栈帧的创建和销毁的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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