函数栈帧的创建与销毁-创新互联

文章目录

- 函数栈帧的创建与销毁
- - 函数栈帧的基本概念
  - 函数栈帧的创建与销毁过程
  - - main函数调用
    - z=MyAdd(x,y)
    - MyAdd函数调用
    - MyAdd函数栈帧销毁
    - 返回到main函数
  - 总结

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函数栈帧的创建与销毁函数栈帧的基本概念

c/c++程序中进行函数调用，需要在进程地址空间的栈区为这个函数申请一块栈空间，这一块栈空间称为函数的栈帧。除了内联函数之外，普通函数的调用都有创建函数栈帧和销毁函数栈帧的过程，函数栈帧的创建与销毁过程均在进程地址空间中进行，执行一个函数，需要CPU进行计算并执行相关指令。

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函数栈帧的创建与销毁过程

函数的调用过程是CPU执行相关指令的过程，在CPU中存在大量的寄存器，常用的寄存器有：

eax 通用寄存器，用于存放临时数据，例如函数的返回值
ebx 通用寄存器，存放临时数据
ebp 栈底寄存器，保存当前正在调用函数的栈帧的栈底
esp 栈顶寄存器，保存当前正在调用函数的栈帧的栈顶
eip 指令寄存器，指令寄存器中保存CPU当前正在执行的指令的下一条指令的地址，指令寄存器也称为PC指针

以下面的代码为例说明函数栈帧的创建与销毁过程：

#includeint MyAdd(int a, int b)
{int c = a + b;
	return c;
}
int main()
{int x = 0xA;
	int y = 0xB;
	int z = 0;
	z=MyAdd(x, y);
	printf("%d\n", z);
	return 0;
}

main函数为主函数，在Linux下，main函数是由__libc_start_main函数调用的，__libc_start_main函数由操作系统进行调用。

main函数调用

int x=0xA
这条语句转化为汇编指令为
mov dword ptr [ebp-8],0Ah
对应如图
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此时eip寄存器中存放mov dword ptr [ebp-14h],0Bh这条指令的地址

int y=0xB
这条语句转化为汇编指令为
mov dword ptr [ebp-14h],0Bh
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-SNDZUF7G-1669559349430)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127200753738.png)]$

此时eip寄存器中存放mov dword ptr [ebp-20h],0这条指令的地址。此时，局部变量x和y已经在main函数的栈帧中形成。

int z=0
这条语句转化为汇编指令为
mov dword ptr [ebp-20h],0
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-w2iWflrb-1669559349430)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127201322039.png)]$

此时eip寄存器中存放mov eax,dward ptr [ebp-14h]这条指令的地址。
可以看出，在栈上的变量地址不一定是连续的，可能是操作系统在设计的时候出于安全的考虑。

z=MyAdd(x,y)

z=MyAdd(x,y)这条语句对应多条汇编指令。

mov eax,dward ptr [ebp-14h]
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-f0T24Mte-1669559349431)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127202107960.png)]$

此时eip寄存器中存放push eax这条指令的地址

push eax
把eax的值压入栈中，同时栈顶寄存器的值发生相应变化。
对应如图
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此时eip寄存器中存放mov ecx,dward ptr [ebp-8]这条指令的地址

mov ecx,dward ptr [ebp-8]
把ebp-8地址处的值拷贝一份到ecx通用寄存器中，实际上是将x的值拷贝到ecx中。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VO6yZjZM-1669559349432)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127202648795.png)]$

此时eip寄存器中存放push ecx这条指令的地址

push ecx
把ecx的值压入栈中，同时栈顶寄存器esp的值发生变化。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6Mgqe6I2-1669559349432)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127202759720.png)]$

此时eip寄存器中存放call MyAdd这条指令的地址.
以上指令实际上是在进行参数的拷贝，根据实参拷贝形参并把形参压栈，此时MyAdd函数还没有开始正式调用，且通过观察可以发现，在进行实参拷贝时，先拷贝y，在拷贝x，说明形参的实例化顺序是从右到左的。
可以得出2点结论
形参实例化的顺序是从右向左的，在传参的过程中，是先实例化右边的参数，在实例化左边的参数。形参实例化的顺序与x,y定义的顺序无关。
函数调用需要传参形成临时拷贝，临时拷贝在函数正式调用之前已经完成，是函数正式调用的前置工作。

call MyAdd
call MyAdd这一条汇编指令对应2个操作：
压入返回地址。MyAdd函数执行结束以后需要返回到main函数，返回地址就是返回到main函数栈帧的中对应的地址，在转移至目标函数MyAdd之前，要把这个地址压入栈中。否则MyAdd函数执行完毕就无法回到main函数继续执行main函数后面的语句。在上面的代码中，这个返回地址是add esp 8这条指令的地址，在MyAdd函数调用完毕会用到这个地址。
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zjDOASc7-1669559349433)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127205344281.png)]$

转移至目标函数。此时eip中保存的是jump MyAdd指令的地址
call MyAdd指令的关键点是压入返回地址，它确保了在函数调用完毕以后能正常的回到原来的函数的栈帧。

jmp MyAdd
jmp MyAdd并非立马跳到MyAdd函数开始执行MyAdd函数的语句，而是修改eip的值为MyAdd函数第一条汇编指令的地址。执行jmp MyAdd之后，eip中保存的就是MyAdd函数第一条汇编指令的地址，至此，可以开始正式调用MyAdd函数。

MyAdd函数调用

push ebp
把当前栈底寄存器的值压入栈中，注意：当前栈底寄存器中保存的是main函数栈底的地址。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hqw7huuD-1669559349433)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127210421281.png)]$

此时eip寄存器中存放mov ebp esp这条指令的地址

mov ebp esp #是把esp的内容拷贝到ebp
把esp的内容拷贝到ebp中，这样ebp就不在指向main函数的栈底。这条指令是把一个寄存器的内容拷贝到另外一个寄存器，没有进行内存的访问，执行速度很快。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZwxXrJDB-1669559349434)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127210928164.png)]$

此时eip寄存器中存放sub esp,0CCh这条指令的地址

sub esp,0CCh
将当前esp寄存器中的值减去一个值，让esp和ebp维护一段栈空间，这一段栈空间就是MyAdd函数的栈帧。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mzdomPJQ-1669559349434)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127211214208.png)]$

上面的汇编指令sub esp,0CCh是把esp的值减去0CCh，调用不同的函数，这个值是不一样的，并非都是减去0CCh,这个值取决于调用的函数的规模，例如该函数中定义了多少局部对象。编译器是可以提前预知到函数的规模大小的，根据函数的规模，确定调用该函数需要多少的栈空间，编译器可以通过sizeof计算出函数中所有栈上变量所需空间的总和，从而决定应该为该函数创建多大的栈帧。因此，sizeof计算变量的大小是在编译时完成的。
此时eip寄存器中存放mov dwrod ptr [ebp-8],0这条指令的地址

int c=0
mov dwrod ptr [ebp-8],0
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-D3pIbXbq-1669559349435)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127212624241.png)]$

此时eip寄存器中存放mov eax,dword ptr [ebp+8]这条指令的地址

c=a+b
这条语句转化为汇编指令为
mov eax,dword ptr [ebp+8]
把ebp+8位置的值放到eax中，实际上就是把形参的值放到eax中
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9IwlnM5h-1669559349435)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127212847949.png)]$

此时eip寄存器中存放add eax,dword ptr [ebp+0Ch]这条指令的地址

add eax,dword ptr [ebp+0Ch]
把ebp+0Ch位置的值加到eax上，其实就是把形参b的值加到eax上，此时eax中存放的值就是a+b
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GMHfTB1w-1669559349436)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127213126568.png)]$

此时eip寄存器中存放mov dword ptr [ebp-8],eax这条指令的地址

mov dword ptr [ebp-8],eax
把eax的值给到ebp-8位置，就是把eax的值给到ebp-8
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZV3yVh0u-1669559349436)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127213418015.png)]$

至此，c=a+b计算完成。
此时eip寄存器中存放mov eax,dword ptr [ebp-8]这条指令的地址

mov eax,dword ptr [ebp-8]
即把c的值保存到寄存器中，这是在为函数返回做准备。如果函数返回小对象，则是通过寄存器保存的。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-apGeCl02-1669559349437)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127213904532.png)]$

至此MyAdd函数正式调用完毕，需要销毁栈帧和返回main函数。

MyAdd函数栈帧销毁

mov ebp esp
把ebp的值给esp。esp发生变化
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-laMgE1Ve-1669559349437)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127214519029.png)]$

MyAdd函数的栈帧被释放，但是MyAdd函数的栈帧数据并没有被清空。注意此时ebp和esp指向位置存放的值是main函数的栈底。
此时eip寄存器中存放pop ebp这条指令的地址

返回到main函数

pop ebp
把栈顶位置的数据(main函数栈底放入地址)给ebp寄存器，同时弹栈，esp发生改变。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iIOgCapi-1669559349438)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127215725293.png)]$

此时esp指向的栈顶位置的数据就是在call MyAdd时压入的返回地址。
此时eip寄存器中存放ret这条指令的地址

ret
ret是恢复返回地址的汇编指令，在这里ret的作用类似于pop eib,即把栈顶位置的数据放到eip中，此时栈顶位置的数据正是call MyAdd时压入的返回地址。就是add esp,8这条指令的地址。
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-mxtqsjJE-1669559349438)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127221145681.png)]$

此时eip寄存器中存放add esp,8这条指令的地址

add esp,8
把esp的值+8
对应如图
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-DDQAe2Tv-1669559349439)(C:\Users\19199\Desktop\c++研发\修订文档\函数栈帧的创建与销毁.assets\image-20221127221216689.png)]$

这样就正式的恢复到了MyAdd函数调用之前的样子。
此时eip寄存器中存放mov dword ptr [ebp-20h],eax这条指令的地址

mov dword ptr [ebp-20h],eax
把eax的值给到ebp-20h的位置，eax中的值就是MyAdd函数的返回值。ebp-20h位置对应z,就是把返回值给z.

这就是整个函数栈帧的创建和销毁过程。

总结

函数传参，形参实例化的顺序是从右向左的，在函数正式调用之前，形参就已经在栈中形成了
函数在开始正式调用之前，需要先压入返回地址，保证函数调用完毕以后能够回到原函数
在函数调用之前，需要将原函数栈底的地址压入栈中，对应的汇编指令是push ebp
函数的返回值是通过寄存器拿到的(对于返回小对象的情况)
函数栈帧的创建与销毁过程均是在进程地址空间中完成的

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