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带回来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成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地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是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回来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 OutFILO。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。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。3.2 认识相关寄存器和汇编指令在深入解析函数栈帧之前我们先认识一些关键的寄存器和汇编指令。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指令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地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 ebpebp 记录的是栈底的地址esp 记录的是栈顶的地址。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如下#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】。函数调用堆栈是反馈函数调用逻辑的那我们可以清晰地观察到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。3.3.3 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。3.3.4 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。3.3.5 函数栈帧的创建这里我们看到 main 函数转化来的汇编代码。接下来我们就一行行拆解汇编代码。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 }我们逐条分析 main 函数栈帧的创建过程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 ebpesp-4。mov ebp,espmove 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。sub esp,0E4hsub 会让 esp 中的地址减去一个十六进制数字 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 espebp 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、临时数据以及调试信息等。push ebx / push esi / push edi将寄存器 ebx、esi、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 函数的栈帧空间先把 ebp-24h 的地址放在 edi 中把 9 放在 ecx 中把 0xCCCCCCCC 放在 eax 中将从 ebp-0x24h 到 ebp 这一段的内存的每个字节都初始化为 0xCC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; }3.3.6 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”。3.3.7 Add 函数的传参接下来我们再分析 main 函数中的核心代码重点看 Add 函数的传参过程。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 //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变量的创建和初始化。其实局部变量的创建是在局部变量所在函数的栈帧空间中创建的。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。注意传参的顺序先传递 b再传递 a也就是从右向左依次压栈。3.3.8 函数调用过程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。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。将 main 函数的 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 寄存器准备带回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ebpebp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xy结果保存到z中 00BE1773 mov eax,dword ptr [ebp8] //将ebp8地址处的数字存储到eax中 00BE1776 add eax,dword ptr [ebp0Ch] //将ebp12地址处的数字加到eax寄存器中 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。 }图片中的 a 和 b 其实就是 Add 函数的形参 x、y。这里的分析很好地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。3.3.9 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esp4 00BE1780 pop esi //在栈顶弹出一个值存放到esi中esp4 00BE1781 pop ebx //在栈顶弹出一个值存放到ebx中esp4 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ebpesp4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esp4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中的值存放到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。4. 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。到这里我们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也能够回答课件开始处的问题了。