C語言中函數(shù)棧幀的創(chuàng)建和銷毀的深層分析
一、本文目標(biāo)
1、局部變量是怎么創(chuàng)建的？
2、為什么局部變量的值是隨機值？
3、函數(shù)是怎么傳參的？傳參的順序是怎樣的？
4、形參和實參是什么關(guān)系？
5、函數(shù)調(diào)用是怎么做的？
6、函數(shù)調(diào)用結(jié)束后是怎么返回的？
當(dāng)我們深入理解函數(shù)棧幀創(chuàng)建和銷毀，答案自然就清楚了。正文開始：
二、基礎(chǔ)知識
1、寄存器
| 寄存器名稱 | 簡介 |
| eax | "累加器" 它是很多加法乘法指令的缺省寄存器。 |
| ebx | "基地址"寄存器， 在內(nèi)存尋址時存放基地址。 |
| ecx | 計數(shù)器，是重復(fù)(REP)前綴指令和LOOP指令的內(nèi)定計數(shù)器。 |
| edx | 總是被用來放整數(shù)除法產(chǎn)生的余數(shù)。 |
| esi | 源索引寄存器 |
| edi | 目標(biāo)索引寄存器 |
| ebp | （棧底指針）"基址指針"，存放的是地址，用來維護函數(shù)棧幀 |
| esp | （棧頂指針）專門用作堆棧指針，存放的是地址，用來維護函數(shù)棧幀 |
2、代碼案例
本文依賴的編譯器：VS2013
#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\n", c);
return 0;
}3、總體棧幀概況
每一個函數(shù)調(diào)用都要在棧區(qū)為它開辟空間，像上述的代碼中，有肉眼可見的main函數(shù)和Add函數(shù)，相應(yīng)的需要為它倆開辟空間，但其實main函數(shù)也是被調(diào)用的，當(dāng)我們針對上述代碼按下F10，按到return 0時再按一次，就會跳出以下界面
由圖得知，main函數(shù)是被__tmainCRTStartup函數(shù)調(diào)用的，而 __tmainCRTStartup又是被mainCRTStartup調(diào)用的。先看下總體函數(shù)棧幀開辟情況：
兩個重要知識點：
- 壓棧（push）：給棧頂放一個元素
- 出棧（pop） ：從棧頂刪除一個元素
接下來會詳細(xì)講解下函數(shù)棧幀的開辟情況：
4、所需反匯編代碼總覽
int main()
{
00031410 push ebp
00031411 mov ebp,esp
00031413 sub esp,0E4h
00031419 push ebx
0003141A push esi
0003141B push edi
0003141C lea edi,[ebp+FFFFFF1Ch]
00031422 mov ecx,39h
00031427 mov eax,0CCCCCCCCh
0003142C rep stos dword ptr es:[edi]
int a = 10;
0003142E mov dword ptr [ebp-8],0Ah
int b = 20;
00031435 mov dword ptr [ebp-14h],14h
int c = 0;
0003143C mov dword ptr [ebp-20h],0
c=Add(a,b);
00031443 mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00031446 push eax
00031447 mov ecx,dword ptr [ebp-8]
0003144A push ecx
0003144B call 00C210E1
00031440 add esp,8
00031443 mov dword ptr [ebp-20h],eax
printf("%d", c);
00241456 mov esi,esp
00241458 mov eax,dword ptr [ebp-20h]
0024145B push eax
0024145C push 245858h
00241461 call dword ptr ds:[00249114h]
00241467 add esp,8
0024146A cmp esi,esp
0024146C call 0024113B
return 0;
00241471 xor eax,eax
}
00031451 pop edi
00031452 pop esi
00031453 pop ebx
00031454 add esp,0E4h
0003145A cmp ebp,esp
0003145C call __RTC_CheckEsp (03113Bh)
00031461 mov esp,ebp
00031463 pop ebp
00031464 ret
int Add(int x, int y)
{
000313C0 push ebp
000313C1 mov ebp,esp
000313C3 sub esp,0CCh
000313C9 push ebx
000313CA push esi
000313CB push edi
000313CC lea edi,[ebp-0CCh]
000313D2 mov ecx,33h
000313D7 mov eax,0CCCCCCCCh
000313DC rep stos dword ptr es:[edi]
int z = 0;
000313DE mov dword ptr [ebp-8],0
z = x + y;
000313E5 mov eax,dword ptr [ebp+8]
000313E8 add eax,dword ptr [ebp+0ch]
000313EB mov dword ptr [ebp-8],eax
return z;
000313EE mov eax,dword ptr [ebp-8]
}
000313F1 pop edi
000313F2 pop esi
000313F3 pop ebx
000313F4 mov esp,ebp
000313F6 pop ebp
000313F7 ret
三、函數(shù)棧幀創(chuàng)建銷毀過程
1、_tmainCRTStartup函數(shù)（調(diào)用main函數(shù)）棧幀的創(chuàng)建
根據(jù)上文，我們已經(jīng)知曉main函數(shù)是被_tmainCRTStartup函數(shù)所調(diào)用的，自然要為它開辟棧幀，這塊空間應(yīng)該由ebp和sep倆寄存器來維護，前提是下面高地址，上面低地址。如圖：
此時進(jìn)入main函數(shù)，首先要push進(jìn)行壓棧：
push ebp就是把ebp壓到棧頂上，此時sep相應(yīng)的移動到新棧頂上，可以通過監(jiān)視來驗證：
圖示如下：
接下來執(zhí)行mov操作：
此行代碼意思就是把sep賦給ebp，所以ebp指向的位置即為sep所指向的位置，但是源操作地址位置不變，可通過監(jiān)視來驗證
接著執(zhí)行sub操作：
該操作就是給esp減去個0E4h ，此時esp的位置就要往上面去，通過監(jiān)視觀察：
此時此刻執(zhí)行完sub操作，其實就已經(jīng)進(jìn)入到下文的main函數(shù)棧幀的開辟，至此_tmainCRTStartup函數(shù)棧幀的開辟已完成。圖示見下文：
2、main函數(shù)棧幀的創(chuàng)建
接上文，圖示如下：
接下來進(jìn)行三次push操作： 把ebx、sei、edi順次壓棧壓進(jìn)去，相應(yīng)的esp也要往上走。
通過監(jiān)視看看：
圖示如下：
接下來執(zhí)行下列三個步驟
操作lea（load effecitve address）加載有效地址。就是相當(dāng)于把[ebp+FFFFFF1Ch]放到edi里頭，顯示符號名后[ebp+FFFFFF1Ch]就是[ebp-0E4h]，前面已經(jīng)執(zhí)行過-0E4h，這里再執(zhí)行一次放到edi里頭去。接著mov把39h放到ecx里頭去，再mov此時eax放的就是0CCCCCCCCh
上述操作執(zhí)行后的目的就是從剛才的edi開始向下的39h次這么多個dword（1個word2字節(jié)，2dword4個字節(jié)）全部改為0CCCCCCCCh
通過監(jiān)視看下：
圖示如下：
至此，main棧幀的開辟已經(jīng)完成，接下來就要執(zhí)行正式有效代碼，見下文：
3、main函數(shù)內(nèi)執(zhí)行有效代碼（變量）
接下來執(zhí)行以下操作：
先mov把0Ah（10）放到ebp-8的位置上，同理把14h（20）放到ebp-14h上，把0放到ebp-20h上，如圖：
此時此刻a、b、c這三個變量均已創(chuàng)建完成，接下來進(jìn)行Add函數(shù)調(diào)用：先進(jìn)行傳參
首先，mov把ebp-14h（b=20）放到eax里頭。接下來再push， 壓棧把eax（20）放到棧頂，相應(yīng)esp也要移動，同理mov把ebp-8（a=10）放到ecx里頭，再push把ecx放到棧頂。如圖所示：
接著執(zhí)行call操作，調(diào)用Add函數(shù)，按F10執(zhí)行到call時，按下F11，此時就跳到Add函數(shù)內(nèi)部并且把call指令的下一條指令的地址壓到棧頂。這么做的目的是在接下來跳到Add函數(shù)里去回來時方便回到該地址，如圖：
按下F11，此時就正式進(jìn)入Add函數(shù)內(nèi)部 并為其開辟棧幀，詳情見下文：
4、Add函數(shù)棧幀的創(chuàng)建
int Add(int x, int y)
{
000313C0 push ebp
000313C1 mov ebp,esp
000313C3 sub esp,0CCh
000313C9 push ebx
000313CA push esi
000313CB push edi
000313CC lea edi,[ebp-0CCh]
000313D2 mov ecx,33h
000313D7 mov eax,0CCCCCCCCh
000313DC rep stos dword ptr es:[edi]
而前面這些操作跟先前main函數(shù)內(nèi)部操作一樣，其實就是在為Add函數(shù)準(zhǔn)備我們的棧幀
首先，push ebp把ebp壓棧到棧頂，再mov把esp賦給ebp，再sub，把esp-去0CCh，此步驟就是在為Add函數(shù)開辟空間，接著進(jìn)行三次push，同main函數(shù)那樣，同理，依舊是初始化成CCCCCCCC，詳細(xì)過程不再贅述，跟上文main函數(shù)一樣，如圖所示：
至此，Add棧幀的開辟已基本完成，接下來就要執(zhí)行正式有效代碼，見下文：
5、Add函數(shù)內(nèi)執(zhí)行有效代碼
接上文：
int z = 0;
000313DE mov dword ptr [ebp-8],0
z = x + y;
000313E5 mov eax,dword ptr [ebp+8]
000313E8 add eax,dword ptr [ebp+0ch]
000313EB mov dword ptr [ebp-8],eax
return z;
000313EE mov eax,dword ptr [ebp-8]
}
首先，把0放到ebp-8的位置上，接著mov把ebp+8的值放到eax里頭去，此時eax就是10。再add給eax加上ebp+0ch，就是把20加進(jìn)去，此時eax就是30，加完后再把eax（30）放到ebp-8里頭去，最終的結(jié)果（30）放到z里頭去。
此時Add函數(shù)內(nèi)部有效代碼執(zhí)行完畢，見圖：
接下來就要進(jìn)行返回了，也就是Add函數(shù)棧幀的銷毀，見下文：
6、Add函數(shù)棧幀的銷毀
return z;
000313EE mov eax,dword ptr [ebp-8]
}
000313F1 pop edi
000313F2 pop esi
000313F3 pop ebx
000313F4 mov esp,ebp
000313F6 pop ebp
000313F7 ret
上文已經(jīng)知道此時已經(jīng)把ebp-8的值（30）放到eax里頭去，接下來執(zhí)行三次pop，一次彈出，esp就會加加一次，如圖：
接著，把ebp賦給esp，再pop把ebp彈出，此時esp也要移動，此時esp和ebp又回到了先前維護main函數(shù)棧幀的樣子。如圖所示：
此時esp指向的就是call指令的下一條指令的地址，再按一次F10，此時反匯編就會這樣：
0003144B call 00C210E1
00031440 add esp,8
00031443 mov dword ptr [ebp-20h],eax
printf("%d", c);
00241456 mov esi,esp
00241458 mov eax,dword ptr [ebp-20h]
0024145B push eax
0024145C push 245858h
00241461 call dword ptr ds:[00249114h]
00241467 add esp,8
0024146A cmp esi,esp
0024146C call 0024113B
return 0;
00241471 xor eax,eax
}
此時我們就會明白先前存放call指令的下一條指令的地址就是為了方便回來，先前ret執(zhí)行后esp的位置發(fā)生變化：
此時Add函數(shù)的棧幀算是真正銷毀，接下來進(jìn)行main函數(shù)棧幀的銷毀 。
7、main函數(shù)棧幀的銷毀
0003144B call 00C210E1
00031440 add esp,8
00031443 mov dword ptr [ebp-20h],eax
printf("%d", c);
00241456 mov esi,esp
00241458 mov eax,dword ptr [ebp-20h]
0024145B push eax
0024145C push 245858h
00241461 call dword ptr ds:[00249114h]
00241467 add esp,8
0024146A cmp esi,esp
0024146C call 0024113B
return 0;
00241471 xor eax,eax
}
通過反匯編代碼得知，此時指向add操作把esp加上8，此時就把x和y這兩個形參釋放回來了，指向如圖所示位置：
接下來mov把eax放到ebp-20h上，而eax就是我們出Add函數(shù)時計算的和，此時和就被我們帶回來了，接下來就是main函數(shù)棧幀的銷毀了，跟上文Add函數(shù)棧幀的銷毀沒有太大區(qū)別，這里不多做贅述。
而反匯編代碼如下：
00241471 xor eax,eax
}
00031451 pop edi
00031452 pop esi
00031453 pop ebx
00031454 add esp,0E4h
0003145A cmp ebp,esp
0003145C call __RTC_CheckEsp (03113Bh)
00031461 mov esp,ebp
00031463 pop ebp
00031464 ret
四、總結(jié)
至此，函數(shù)棧幀的創(chuàng)建和銷毀正式結(jié)束，而本文一開始的幾個問題（目標(biāo)）也能清晰得知：
如下：
1、局部變量是怎么創(chuàng)建的？
首先，為函數(shù)分配好棧幀空間并初始化后，然后給局部變量在棧幀里頭分配一點空間。
2、為什么局部變量的值是隨機值？
因為隨機值是我們在開辟棧幀時就放進(jìn)去的，而我們初始化的時候，就是把隨機值給覆蓋了。
3、函數(shù)是怎么傳參的？傳參的順序是怎樣的？
當(dāng)我要調(diào)用函數(shù)之前，就已經(jīng)push、push把這兩個參數(shù)從右向左壓棧壓進(jìn)去，當(dāng)我們真正進(jìn)入形參函數(shù)的時候，在Add函數(shù)棧幀里頭通過指針的偏移量找到了形參。
4、形參和實參是什么關(guān)系？
形參確實是在壓棧時開辟的空間，形參和實參只是值上是相同的，空間上是獨立的，形參是實參的一份臨時拷貝，改變形參不會影響實參。
5、函數(shù)調(diào)用結(jié)束后是怎么返回的？
我們在調(diào)用之前就已經(jīng)把call指令下一條指令的地址給壓進(jìn)去，當(dāng)函數(shù)調(diào)用完要返回的時候，就會跳轉(zhuǎn)到call指令下一條指令的地址，返回值是通過寄存器帶回來的。
到此這篇關(guān)于C語言中函數(shù)棧幀的創(chuàng)建和銷毀的深層分析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語言 函數(shù)棧幀內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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