C语言函数栈帧的创建与销毁(32)

文章目录

  • 前言
  • 一、什么是函数栈帧？
  • 二、理解函数栈帧能解决什么问题？
  • 三、函数栈帧的创建和销毁解析
    • 什么是栈？
    • 认识相关寄存器和汇编指令
  • 四、解析函数栈帧的创建和销毁
    • 预备知识
    • 函数的调用堆栈
    • 准备环境
    • 转到反汇编
    • 函数栈帧的创建
    • 函数栈帧的销毁
  • 五、回答开篇
  • 总结

前言

应该是最后一篇了，这一篇相当重要！
但是也是最难的一篇，涉及底层

正文开始！

一、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传回的？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：

  1. 函数参数和函数返回值
  2. 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）
  3. 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）

其实我在Cpp篇内说了返回值具有临时常性，也就是这个原因

二、理解函数栈帧能解决什么问题？

  理解函数栈帧有什么用呢？其实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：

  1. 局部变量是如何创建的？
  2. 为什么局部变量不初始化内容是随机的？（烫烫烫烫烫烫！）
  3. 函数调用时参数时如何传递的？传参的顺序是怎样的？
  4. 函数的形参和实参分别是怎样实例化的？
  5. 函数的返回值是如何带回的？

三、函数栈帧的创建和销毁解析

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， FILO）。就像叠成一叠的书，先叠上去的书在最下面，因此要最后才能取出。->先进后出

  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，栈顶由称为 esp 的寄存器进行定位的

认识相关寄存器和汇编指令

相关寄存器：

  1. eax：通用寄存器，保留临时数据，常用于返回值
  2. ebx：通用寄存器，保留临时数据
  3. ebp：栈底寄存器
  4. esp：栈顶寄存器
  5. 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

四、解析函数栈帧的创建和销毁

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
    在这里插入图片描述

  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

函数的调用堆栈

#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

在这里插入图片描述
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。

至于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

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
在这里插入图片描述

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。

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 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
}

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-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

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;
}

在这里插入图片描述

一个小知识：
在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述
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 寄存器准备带回

在这里插入图片描述
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

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：

出来玩，记得要回家，调用地址跳出去了，还要回得来

在这里插入图片描述
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

五、回答开篇

  1. 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。

  1. 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)

  1. 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

  1. 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。

  1. 函数的返回值是如何带回的？

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

  这篇是修炼内功用的，确实很难，但是希望你能挺过去，同时也代表我给大家带来的C语言入门就结束了，在此学长给新生说点肺腑之言：
  我当初大一刚上来的时候，很迷茫，学习没有方向，我记得当时学到单链表的时候 **pphead 和 *phead 怎么都理解不了，我曾经怀疑自己是否适合学计算机，现在确定了，我可能还真算是走上了一条正确的道路上
  任何时候都不要失去信息，学计算机自主性或者说是主体性要强，老师不可能在自身有压力且短时间内教会你什么，能起到个抛砖引玉的作用就是无愧于你了，我们也要互相理解
  学计算机真的很痛苦，基本上没有很长一段时间的舒适，这其实也是一种心态的磨砺，它会带来我们学术和心术上的成长，就像我小学的时候，当我对第一次知道负数这个概念的时候，我很痛苦，几近于无的抽象思维，让我找不到一个实物能理解负数，那难道就要放弃吗，那越往后的无理数、虚数怎么办？又说上初中的时候，当时父母家长老师同学人人都说有个叫函数的东西很难，我忧心忡忡，可后来它是我初中乃至高中数学模块最满意的一块，再说上大学，人人传微积分很难，其实真迈过去了也不过如此，我高数A期末卷面和平时分双99，坦白说，真不难
  真就是自信的缘故，我还在义务教育阶段的时候就有着自学（准确说是摆脱现行教育体系，自行找资源学习）的习惯，事在人为，这种掌舵的快感难以想象，这可能是学计算机最重要的，我们要找到适合自己该阶段的资料，既有挑战，又不挫败自己的那个度
  好风凭借力，我也建议你多问巧问，我记得就有新生问我新手C++应该看什么来入门，额，其实我认为C++有很多好书，但是没有很好的入门书，都是一坨，随便掏一本过一下语法就行。就是类似这个道理，“援疑质理”是我一直想保持的状态
  最后来一个跟我第0篇首尾呼应的话吧，未知就带来恐惧，无规划带来迷茫，拖延带来焦虑，共勉！

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