深入理解内存 —— 函数栈帧的创建与销毁

分手后的思念是犯贱 2023-10-14 21:47 36阅读 0赞

## 前言 ##

>  **一位优秀的程序员，必须对内存的分布有深刻的理解，在初学编程的时候，往往有诸如以下很多问题困扰着初学者，而通过今天的分享，我们就可以通过自己的观察，将这些问题统统解决掉**
> 
>  *  局部变量是怎么创建的？
>  *  为什么局部变量的值是随机值？
>  *  函数是怎么传参的？传参的顺序是怎么样的？
>  *  形参和实参是什么关系？
>  *  函数调用是怎么调用的？
>  *  函数调用后是怎么返回的？

**目录**

栈与栈帧的概念

栈帧是如何在电脑上运作的

1.c语言代码

2.反汇编代码

主函数：

add函数：

函数栈帧的创建

1.创建 \_tmainCRTStartup 的栈帧

2.创建 main 的栈帧

3.main函数数据的初始化

4.add函数传参

5.创建add函数的栈帧

6.add函数数据的初始化

7. add函数的返回

函数栈帧的销毁

1.add函数栈帧的销毁

2.add函数值的返回

3.main函数栈帧的销毁

--------------------

## 栈与栈帧的概念 ##

**首先，什么是栈？**

在数据结构中我们学过 **“栈”** 这种结构，在**数据结构**中, 栈是限定仅在**表尾**进行**插入或删除操作**的**线性表**。栈是一种数据结构，它按照**后进先出**的原则存储数据，先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据。

> 在计算机系统中，栈也可以称之为栈内存是一个具有动态内存区域,存储函数内部（包括 main 函数）的局部变量和方法调用和函数参数值，是由系统自动分配的，一般速度较快；存储地址是连续且存在有限栈容量，会出现溢出现象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，而弹出操作使栈减小。 栈用于维护函数调用的上下文，离开了栈函数调用就没法实现。

**那什么是栈帧呢？**

每一次函数的调用,都会在调用**栈**(call stack)上维护一个独立的**栈帧**(stack frame)。每个独立的栈帧一般包括:

>  *  函数的返回地址和参数
>  *  临时变量: 包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
>  *  函数调用的上下文

栈是从**高地址**向**低地址**延伸,一个函数的栈帧用 **ebp** 和 **esp** 这两个**寄存器**来划定范围.ebp 指向当前的栈帧的底部,esp 始终指向栈帧的顶部;

> **ebp** 指向当前的栈帧的底部
> 
> **ebp** 寄存器又被称为帧指针(Frame Pointer)
> 
> **esp** 始终指向栈帧的顶部
> 
> **esp** 寄存器又被称为栈指针(Stack Pointer)

**另外，经过笔者的测试，这也与编译环境有关使用不同的编译器，或者不同的环境下，我们能直观看见的都是不一样的，但是俩者都是寄存器，只是体现不同罢了**

*   **32位机器(esp，ebp)**
 *   **64位机器(rsp，rbp)**

以下是笔者在**VS2022**上进行的测试：

![c47d9747136d4157bedecfa56a3b8d0c.png][]

## 栈帧是如何在电脑上运作的 ##

要想搞懂这个问题，我们就需要结合编译器给我们提供的**反汇编代码**，结合上我们写的代码进行分析

我们先实现一个将俩个数相加的函数功能，然后在放进 **main** 函数中，并且进行调用，完成后输出结果，然后结束 **main** 函数。整个代码逻辑非常简单，具体实现如下：

### 1.c语言代码 ###

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
    #include<stdio.h>
    
    int add(int x, int y)
    {
    	int z = 0;
    	z = x + y;
    
    	return z;
    }
    
    int main()
    {
    	int a = 10;
    	int b = 20;
    	int c = 0;
    
    	c = add(a, b);
    
    	printf("%d", c);
    
    	return 0;
    }

### 2.反汇编代码 ###

我们完成上述代码后，按 **F10** 进行调试，然后鼠标右键单击 **“转到反汇编”**，然后我们就可以看到反汇编代码了

![f44751a00c2b4fb899eec2de9e364232.png][]

#### **主函数：** ####

int main()
    {
    001818D0  push        ebp  
    001818D1  mov         ebp,esp  
    001818D3  sub         esp,0E4h  
    001818D9  push        ebx  
    001818DA  push        esi  
    001818DB  push        edi  
    001818DC  lea         edi,[ebp-24h]  
    001818DF  mov         ecx,9  
    001818E4  mov         eax,0CCCCCCCCh  
    001818E9  rep stos    dword ptr es:[edi]  
    001818EB  mov         ecx,18C008h  
    001818F0  call        0018132F  
    	int a = 10;
    001818F5  mov         dword ptr [ebp-8],0Ah  
    	int b = 20;
    001818FC  mov         dword ptr [ebp-14h],14h  
    	int c = 0;
    00181903  mov         dword ptr [ebp-20h],0  
    
    	c = add(a, b);
    0018190A  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
    0018190D  push        eax  
    0018190E  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
    00181911  push        ecx  
    00181912  call        00181023  
    00181917  add         esp,8  
    0018191A  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
    
    	printf("%d", c);
    0018191D  mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
    00181920  push        eax  
    00181921  push        187B30h  
    00181926  call        001810D7  
    0018192B  add         esp,8  
    
    	return 0;
    0018192E  xor         eax,eax  
    }
    00181930  pop         edi  
    00181931  pop         esi  
    00181932  pop         ebx  
    00181933  add         esp,0E4h  
    00181939  cmp         ebp,esp  
    0018193B  call        00181253  
    00181940  mov         esp,ebp  
    00181942  pop         ebp  
    00181943  ret

#### add函数： ####

int add(int x, int y)
    {
    00181870  push        ebp  
    00181871  mov         ebp,esp  
    00181873  sub         esp,0CCh  
    00181879  push        ebx  
    0018187A  push        esi  
    0018187B  push        edi  
    0018187C  lea         edi,[ebp-0Ch]  
    0018187F  mov         ecx,3  
    00181884  mov         eax,0CCCCCCCCh  
    00181889  rep stos    dword ptr es:[edi]  
    0018188B  mov         ecx,18C008h  
    00181890  call        0018132F  
    	int z = 0;
    00181895  mov         dword ptr [ebp-8],0  
    	z = x + y;
    0018189C  mov         eax,dword ptr [ebp+8]  
    0018189F  add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  
    001818A2  mov         dword ptr [ebp-8],eax  
    
    	return z;
    001818A5  mov         eax,dword ptr [ebp-8]  
    }
    001818A8  pop         edi  
    001818A9  pop         esi  
    001818AA  pop         ebx  
    001818AB  add         esp,0CCh  
    001818B1  cmp         ebp,esp  
    001818B3  call        00181253  
    001818B8  mov         esp,ebp  
    001818BA  pop         ebp  
    001818BB  ret

## 函数栈帧的创建 ##

我们知道，我要使用某一个函数，就要去调用他，一般常见的情况是在函数里面调用别的函数，就比如上面写的那一段很简单的代码，我们在 **main** 函数里面调用了 **add** 函数来实现了将俩个数相加的操作， **main** 函数是我们人为写的上去的，本身编译器是不会自带 **main** 函数的，当我们的代码写完了准备编译的时候，编译器得先扫描整个代码，找到 **main** 函数，然后从 **main** 函数开始执行代码，换言之 **main** 函数也是函数，也是需要被调用的。

> 那么编译器用什么来拿到 **main** 函数，并且成功的调用他的呢？关于这一点，不同的编译器的实现是不一样的，比如在**VS编译器**中是使用的 **\_tmainCRTStartup** 这样的内置函数来调用的。

### 1.创建 **\_tmainCRTStartup 的栈帧** ###

编译器拿到一段完整的程序后首先会在栈区开辟一块空间，如下图所示：

![50e88c6c0bbd46daacea7027e9103c8d.png][]

![021979b91f6946859b25f1bf77fd028b.png][]

### 2.创建 main 的栈帧 ###

> 从这里开始结合反汇编代码进行观察
> 
> 首先将 **edp** 押栈
> 
>     001818D0  push        ebp
> 
> 然后改变 **edp** 的指向
> 
>     001818D1  mov         ebp,esp
> 
> 然后移动 **esp** 移动 0e4h 个单位
> 
>     001818D3  sub         esp,0E4h

到这里，其实就已经完成了对 main 函数栈区的创建，如图所示：

![295f040b9e5c408ab5c82900bc288b69.png][]

### 3.main函数数据的初始化 ###

> 然后我们再继续结合反汇编代码 进行观察：
> 
> 在这里连续押了3个元素入栈
> 
>     001818D9  push        ebx  
>     001818DA  push        esi  
>     001818DB  push        edi

如图所示：

![75f3ab83734c496192fa6fb50c037919.png][]

> 然后对刚才开辟的空间进行了初始化，并且全部赋值为 **cccccccc** ，这也解释了为什么平常没有初始化的数据的随机值是 **ccccccccc** 
> 
>     001818DC  lea         edi,[ebp-24h]  
>     001818DF  mov         ecx,9  
>     001818E4  mov         eax,0CCCCCCCCh  
>     001818E9  rep stos    dword ptr es:[edi]

![b4f37f0b0d584bab964d19a1f25167e2.png][]

> 在完成初始化后，初始化 **a=10**，在这里一个 **word**是 2 个字节，一个 **dword**是 4 个字节
> 
>     int a = 10;
>     001818F5  mov         dword ptr [ebp-8],0Ah
> 
> ![33dec1c8b66c4dc0a599e60936ba2cde.png][]
> 
>  **我们可以成功的观察到，在 edp-8 这个位置，已经存放了 a=10，其余位置的 cccccccc 还是保留不变，这也就解释了平常随机值的大小为 cccccccc 的情况**

> 同理的，对 **b** 和 **c** 都做初始化
> 
> ![67fa9c60bb544ea58140eaa2ad49f436.png][]

自此我们就完成了对数据的全部初始化，接下来就 **add** 函数了

### 4.add函数传参 ###

> 在这里我们可以注意，传入的地址
> 
>  *  edp-14h 就是之前初始化的 b=20
>  *  edp-8 就是之前初始化的 a=10
> 
>  **也就是进行了函数传参的操作，通过下面的代码，我们更加可以理解函数的形参是实参的一份临时拷贝**
> 
>     c = add(a, b);
>     0018190A  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
>     0018190D  push        eax  
>     0018190E  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
>     00181911  push        ecx

### 5.创建add函数的栈帧 ###

> 这里的 call 就是调用的意思
> 
>     00181912  call        00181023  
>     00181917  add         esp,8  
>     0018191A  mov         dword ptr [ebp-20h],eax

![5734bb3607ba402eb6688861e6ada337.png][]

>  **按 F11 进入函数观察，我们会发现，这里的操作和上述 main 函数栈帧的操作几乎一模一样，也就是说，这里实际上是在创建 add 函数的栈帧**
> 
>     int add(int x, int y)
>     {
>     00181870  push        ebp  
>     00181871  mov         ebp,esp  
>     00181873  sub         esp,0CCh  
>     00181879  push        ebx  
>     0018187A  push        esi  
>     0018187B  push        edi  
>     0018187C  lea         edi,[ebp-0Ch]  
>     0018187F  mov         ecx,3  
>     00181884  mov         eax,0CCCCCCCCh  
>     00181889  rep stos    dword ptr es:[edi]  
>     0018188B  mov         ecx,18C008h

![a89bc4099ef84d22a034b18d6bb9a69a.png][]

### 6.add函数数据的初始化 ###

> 和上述 **main** 函数数据的初始化基本上是一样的
> 
>     int z = 0;
>     00181895  mov         dword ptr [ebp-8],0  
>     	z = x + y;
>     0018189C  mov         eax,dword ptr [ebp+8]  
>     0018189F  add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]  
>     001818A2  mov         dword ptr [ebp-8],eax
> 
> 这里就不再赘述，结果就是对 **edp** 附近的字节进行操作，最终达到成功赋值的目的

### 7. add函数的返回 ###

我们知道，函数使用的空间是临时的，在退出这个函数之后，他使用的这部分空间就被销毁了，那空间都被销毁了，该怎么样把返回值返回呢？

> 这是返回值 z 的创建位置： edp-8
> 
>     int z = 0;
>     00181895  mov         dword ptr [ebp-8],0
> 
> 这是返回时的语句
> 
>     return z;
>     001818A5  mov         eax,dword ptr [ebp-8]
> 
> **我们观察发现，编译器是将 edp-8 的值放在了 eax 中，那 eax 是什么呢？ eax 其实是寄存器，寄存器不会因为 add 函数的销毁而销毁，他会持续的存在，用来保存 z 的值**

## 函数栈帧的销毁 ##

### 1.add函数栈帧的销毁 ###

>  **pop 是弹出栈的意思**，连续从栈顶弹出三个寄存器，之后继续更改 **esp** 和 **edp** 指向的位置，最后，**ret 会回到之前 call 指令留下的下一条指令的地址**
> 
>     001818A8  pop         edi  
>     001818A9  pop         esi  
>     001818AA  pop         ebx  
>     001818AB  add         esp,0CCh  
>     001818B1  cmp         ebp,esp  
>     001818B3  call        00181253  
>     001818B8  mov         esp,ebp  
>     001818BA  pop         ebp  
>     001818BB  ret
> 
> 如图所示：

![685ddad62c4a47aba4f2edf11be7a7cf.png][]

此时的栈顶指针，栈底指针就可以做到重新维护 **main** 函数的栈帧空间，**因为之前 call 指令留下的地址，我们就可以做到 “出去又可以回来” 这对于我们管理空间是非常高效稳定的+**

### 2.add函数值的返回 ###

> 这里实际上是更改栈顶指针的指向，通过这样的操作，我们就可以达到释放形参的目的，**值得注意的是这段代码的最后一行**
> 
>     c = add(a, b);
>     0018190A  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
>     0018190D  push        eax  
>     0018190E  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
>     00181911  push        ecx  
>     00181912  call        00181023  
>     00181917  add         esp,8  
>     0018191A  mov         dword ptr [ebp-20h],eax
> 
> 我们会发现，**这里的 ebp-20h 和 eax 分别对应了前面对于 c 的初始化和对于 z 的值的保存，也就是说，这里就是将之前 eax 寄存器里放的 z 的值赋给 c，从而达到了**
> 
>     c = add(a, b);
> 
>  **的语句效果**
> 
>     int c = 0;
>     00181903  mov         dword ptr [ebp-20h],0
> 
>     return z;
>     001818A5  mov         eax,dword ptr [ebp-8]

### 3.main函数栈帧的销毁 ###

这里也是连续从栈顶弹出三个寄存器，之后继续更改 **esp** 和 **edp** 指向的位置，最后 ret 退回上一级调用 **main** 函数的内置函数中，具体过程同上，这里就不再继续赘述

00181930  pop         edi  
    00181931  pop         esi  
    00181932  pop         ebx  
    00181933  add         esp,0E4h  
    00181939  cmp         ebp,esp  
    0018193B  call        00181253  
    00181940  mov         esp,ebp  
    00181942  pop         ebp  
    00181943  ret

**以上就是本次分享的全部内容了，希望对屏幕前的您有所帮助，如有内容上的错误，欢迎指出，也欢迎积极讨论，内容制作不易，给个三连支持一下吧**

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