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深入探索：函数栈帧的神秘世界及其背后原理

时间：2025-01-16 21:59:22浏览次数：3  
标签：函数 探索 esp eax ebp main 栈帧

文章目录


前言：

在C语言中，函数是程序的基本单位，我们通过函数来实现特定的功能。然而，函数如何被调用、返回值如何传递、函数参数如何传递等问题都涉及到函数栈帧。理解函数栈帧的创建和销毁过程，能够帮助我们更好地掌握程序的执行流和内存管理。本文将详细分析函数栈帧的创建与销毁过程，并通过一个简单的示例代码来展示这一过程。

什么是函数栈帧

函数栈帧（Stack Frame）是程序在调用函数时，为了保存函数调用的上下文而在栈上分配的一块内存空间。这个空间用于存储：

  • 函数参数和返回值
  • 局部变量
  • 临时数据
  • 保存上下文信息（如寄存器状态）

当函数被调用时，系统会为其分配一个新的栈帧，栈帧中的数据随着函数的执行而不断变化，直到函数返回后，栈帧被销毁。

理解函数栈帧的作用

理解函数栈帧的创建与销毁过程，可以帮助我们回答一些常见的问题：

  • 局部变量是如何创建的？
  • 为什么局部变量不初始化时内容是随机的？
  • 函数调用时，参数是如何传递的？传参的顺序是怎样的？
  • 函数的返回值是如何传递的？

函数栈帧的创建和销毁解析

什么是栈？

栈（Stack）是计算机程序中一种非常重要的数据结构，它遵循“后进先出”原则（LIFO）。栈的操作非常简单：压栈（push）将数据放入栈顶，弹栈（pop）将栈顶数据移除。在程序执行中，栈用于存储函数调用的相关数据。

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，栈顶由成为 esp 的寄存器进行定位的。

相关寄存器和汇编指令

在函数栈帧的管理中，常用的寄存器有：

  • eax：通用寄存器，常用来存放函数的返回值。
  • ebx、ecx、edx：通用寄存器，用于存储临时数据。
  • ebp：栈底指针寄存器，指向当前栈帧的底部。
  • esp：栈顶指针寄存器，指向栈顶。
  • eip：指令指针寄存器，指向下一条将要执行的指令。

常见的汇编指令有：

  • mov：将数据从一个寄存器或内存位置复制到另一个寄存器或内存位置。
  • push：将数据压入栈中，更新esp。
  • pop：从栈顶弹出数据，更新esp。
  • call：调用函数，压入返回地址，并跳转到目标函数。
  • ret：函数返回，弹出返回地址，跳转回调用函数。

函数栈帧的创建和销毁过程

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。
    如图所示：
    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

在理解了栈的基本概念和相关寄存器的作用后，接下来我们可以详细分析函数栈帧的创建和销毁过程。我们将以一个简单的示例代码来演示栈帧的管理。

#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;
}

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。
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。
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。
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。

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],eaxprintf("%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0xCC00BE182C lea
edi,[ebp-24h]
00BE182F mov
ecx,9
00BE1834 mov
eax,0CCCCCCCCh
00BE1839 rep stos dword ptr es:[edi]

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
小知识：烫烫烫~
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

在这里插入图片描述

//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 寄存器尊准备带回
    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：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。

标签：函数,探索,esp,eax,ebp,main,栈帧
From： https://blog.csdn.net/ZWW_zhangww/article/details/145192544

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