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)
二、理解函数栈帧能解决什么问题呢
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回的?
三、 函数栈帧的创建和销毁解析
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,栈顶由名为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
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
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:
关系:栈是由多个栈帧组成的,每个栈帧对应一个函数调用的上下文
作用:栈帧是栈在函数调用过程中的具体实现形式,用于存储和管理函数调用期间的临时数据
示例:
#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;}
接下来我们就一行行拆解汇编代码
在函数栈帧中,main函数也会被别人调用
首先是为main函数开辟出一个函数栈帧,用esp和ebp来进行维护
其中最关键的是main函数下面还有两个重重调用的函数,就是上面图片中前两个函数
00BE1820 push ebp //把ebp寄存器中的值进行压栈,此时的ebp中存放的是调用main函数的函数栈帧的ebp
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,这个值就是调用main的函数的函数栈帧的esp,此时edp的位置就到了esp所指向的位置上
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//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]
//"rep stos" 是汇编语言中的一个指令组合,用于在内存中高效地复制或填充数据
压栈一般都是将数据压到esp上面
因为这个时候放进去的值为0CCCCCCCCh 这些是随机的,所以就会出现
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);//ret:恢复返回地址,压入eip,类似pop eip命令 eip:指令寄存器,保存当前指令的下一条指令的地址//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
0BE1853 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//dword,这个地址指向一个32位(双字)的数据
call 指令用于函数调用。当执行到 call 指令时,计算机会跳转到指定的函数地址开始执行该函数。同时,call 指令还会在调用函数之前,将下一条指令的地址(即返回地址)压入栈中。这是为了确保函数执行完毕后,能够正确地返回到调用者的上下文继续执行
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
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 寄存器尊准备带回
函数栈帧的销毁
回到了call指令的下一条指令的地方:
因为eax寄存器中存放的值不会随着函数的销毁而不见,寄存器是跟着整个程序的