图文详解函数栈帧
图文详解函数栈帧
目录
一、什么是函数栈帧？
1.1 - 栈
栈（stack）是只允许在栈顶进行插入（入栈，push）和删除（出栈，pop）的操作受限制的线性表。栈的特点是后进先出（Last In First Out，简称 LIFO）。
1.2 - 栈内存
栈内存（stack memory）是一个由系统自动分配和回收的内存空间。关于栈内存的增长方向有两种：一种是向上增长，即低地址向高地址增长；另一种是向下增长，即高地址向低地址增长。在目前常见的体系结构和编译系统中，栈内存大多是向下增长的。
1.3 - 栈帧
在 C 语言中，每个函数的每次调用，都有它自己独立的一个栈帧（stack frame），栈帧中保存了该函数的返回地址和局部变量。寄存器 ebp 指向当前的栈帧的底部，寄存器 esp 指向当前的栈帧的顶部。
1.4 - 相关寄存器
| 寄存器 | 作用 |
|---|---|
| ebp | extended base pointer，用于存放栈帧底部的指针 |
| esp | extended stack ponter，用于存放栈帧顶部的指针 |
| eax | 累加器（acculator），它是很多加法乘法指令的缺省寄存器 |
| ebx | 基地址（base）寄存器，在内存寻址时存放基地址 |
| ecx | 计数器（counter），是重复（REP）前缀指令和 LOOP 指令的内定计数器 |
| edx | 总是被用来放整数除法产生的余数 |
| esi | 源索引（source index）寄存器 |
| edi | 目标索引（destination index）寄存器 |
1.5 - 相关汇编指令
| 汇编指令 | 作用 |
|---|---|
| push | 数据入栈，同时 esp 栈顶寄存器也要发生改变 |
| pop | 数据出栈，同时 esp 栈帧寄存器也要发生改变 |
| move | move A, B，即将数据 B 移到 A 中 |
| call | 函数调用：1. 压入返回地址 2. 转入目标函数 |
| add | 加法 |
| sub | 减法 |
| rep | 重复 |
| lea | 加载有效地址（load effective address） |
二、函数栈帧的创建和销毁
演示代码：
#include <stdio.h>
int add(int a, int b)
{
int c = 0;
c = a + b;
return c;
}
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
int ret = 0;
ret = add(a, b);
printf("ret = %d\n", ret);
return 0;
}在 VS2019 x86 平台上进行调试，首先点击"调试" --> "窗口" --> "调用堆栈" ，然后右击勾选"显示外部代码"，我们可以观察到：
这说明在 main 函数调用之前，是由 invoke_main 函数来调用 main 函数的。当然在 invoke_main 函数之前还有函数调用。
调试到 main 函数开始执行的第一行，右击鼠标转到反汇编。
int main()
{
// main 函数栈帧的创建
00691820 push ebp
00691821 mov ebp,esp
00691823 sub esp,0E4h
00691829 push ebx
0069182A push esi
0069182B push edi
0069182C lea edi,[ebp-24h]
0069182F mov ecx,9
00691834 mov eax,0CCCCCCCCh
00691839 rep stos dword ptr es:[edi]
// main 函数局部变量的创建
int a = 10;
0069183B mov dword ptr [ebp-8],0Ah
int b = 20;
00691842 mov dword ptr [ebp-14h],14h
int ret = 0;
00691849 mov dword ptr [ebp-20h],0
// 函数传参和调用
ret = add(a, b);
00691850 mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00691853 push eax
00691854 mov ecx,dword ptr [ebp-8]
00691857 push ecx
00691858 call 00691023
// 接受函数的返回值
0069185D add esp,8
00691860 mov dword ptr [ebp-20h],eax
// 函数传参和调用
printf("ret = %d\n", ret);
00691863 mov eax,dword ptr [ebp-20h]
00691866 push eax
00691867 push 697B30h
0069186C call 006910D2
00691871 add esp,8
return 0;
00691874 xor eax,eax
}2.1 - main 函数栈帧的创建
00431820 push ebp
00431821 mov ebp,esp
00431823 sub esp,0E4h
00431829 push ebx
0043182A push esi
0043182B push edi
0043182C lea edi,[ebp-24h]
0043182F mov ecx,9
00431834 mov eax,0CCCCCCCCh
00431839 rep stos dword ptr es:[edi] 1. ebp 和 esp 的初始值：
2.push ebp，即把 ebp 的值压入栈中，同时让 esp - 4：
3. mov ebp, esp，即把 esp 赋值给 ebp，这相当于产生了 main 函数栈帧的 ebp：
4.sub esp, 0E4h，即让 esp - 0xe4，此时的 esp 就是 main 函数栈帧的 esp：
5.push ebx，即把 ebx 的值压入栈中，同时让 esp - 4。
6.push esi，即把 esi 的值压入栈中，同时让 esp - 4。
7.push edi，即把 edi 的值压入栈中，同时让 esp - 4。
上面 3 条指令把 3 个寄存器的值都保存在栈区，是因为这 3 个寄存器的值在函数执行过程中可能会被修改，因此先保存寄存器中原来的值，以便在退出函数时恢复。
8.lea edi, [ebp-24h]，即将 ebp - 0x24 赋值给 edi：
9.mov ecx, 9，即将 9 赋值给 ecx：
10.mov eax, 0CCCCCCCCh，即将 0xCCCCCCCC 赋值给 eax：
11. rep stos dword ptr es:[edi]，这句汇编代码再加上上面 3 句汇编代码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;
}
2.2 - main 函数局部变量的创建
int a = 10;
0043183B mov dword ptr [ebp-8],0Ah
int b = 20;
00431842 mov dword ptr [ebp-14h],14h
int ret = 0;
00431849 mov dword ptr [ebp-20h],0 1.mov dword ptr [ebp-8],0Ah，即将 0xa 存储到 ebp - 8 的地址处。
2.mov dword ptr [ebp-14h],14h，即将 0x14 存储到 ebp - 0x14 的地址处。
3.mov dword ptr [ebp-20h],0，即将 0 存储到 exp - 0x20 的地址处。
这表明局部变量是在其所在的函数的栈帧空间中创建的。
2.3 - 函数传参和调用
ret = add(a, b);
00691850 mov eax,dword ptr [ebp-14h]
00691853 push eax
00691854 mov ecx,dword ptr [ebp-8]
00691857 push ecx
00691858 call 00691023 1.mov eax,dword ptr [ebp-14h]，即传递 b，将 ebp - 0x14 地址处存放的 20 放到 eax 寄存器中。
2.push eax，即将 eax 的值压入栈中，同时让 esp - 4。
3.mov ecx,dword ptr [ebp-8]，即传递 a，将 ebp - 8 地址处存放的 10 放到 ecx 寄存器中。
4.push ecx，即将 ecx 的值压入栈中，同时让 esp - 4。
5.call 00691023，即执行调用 add 函数的操作，但是在调用 add 函数之前，会把 call 指令的下一条指令的地址，即 0069185D，压入栈中，同时让 esp - 4：
按 f11，再按一次 f11 就跳转到 add 函数。
2.3.1 - 进入 add 函数
int add(int a, int b)
{
// add 函数栈帧的创建
006917F0 push ebp
006917F1 mov ebp,esp
006917F3 sub esp,0CCh
006917F9 push ebx
006917FA push esi
006917FB push edi
// 局部变量的创建
int c = 0;
006917FC mov dword ptr [ebp-8],0
// 计算 a + b，并把结果保存到 c 中
c = a + b;
00691803 mov eax,dword ptr [ebp+8]
00691806 add eax,dword ptr [ebp+0Ch]
00691809 mov dword ptr [ebp-8],eax
return c;
0069180C mov eax,dword ptr [ebp-8]
}1.add 函数栈帧的创建和局部变量的创建与 main 函数相似，只是在栈帧空间的大小上有些差异。
2.mov eax,dword ptr [ebp+8]，即把 ebp + 8 地址处的值存储到 eax 寄存器中。
3.add eax,dword ptr [ebp+0Ch]，即把 ebp + 0xc 地址处的值加到 eax 寄存器中。
4.mov dword ptr [ebp-8],eax，即把 eax 中的结果保存到 ebp - 8 的地址处，即放到变量 c 中。
5.mov eax,dword ptr [ebp-8]，即把 ebp - 8 地址处的值，即变量 c 中的值，放到 eax 中，通过 eax 带回计算的结果，做函数的返回值。
2.3.2 - add 函数栈帧的销毁
0069180F pop edi
00691810 pop esi
00691811 pop ebx
00691812 mov esp,ebp
00691814 pop ebp
00691815 ret1.pop edi，即在栈顶弹出一个值，存放到 edi 中，同时让 esp + 4。
2.pop esi，即在栈顶弹出一个值，存放到 esi 中，同时让 esp + 4。
3.pop ebx，即在栈顶弹出一个值，存放到 ebx 中，同时让 esp + 4。
4.mov esp,ebp，即将 ebp 赋值给 esp，相当于回收了 add 函数的栈帧空间。
5.pop ebp，即将弹出栈顶的值存放到 ebp 中，这个值恰好就是main函数的ebp，同时让 eps + 4，此时就恢复了 main 函数的栈帧维护。
6.ret，首先让 esp + 4，然后跳转到 call 指令下一条指令的地址处。
2.4 - 接受函数的返回值
0069185D add esp,8 // 让 esp + 8
00691860 mov dword ptr [ebp-20h],eax // 将 eax 中的值存储到 ebp - 0x20 的地址处，即存储到 main 函数中的 ret 变量中
三、总结
当我们理解了函数栈帧的创建和销毁，以下的问题就能够很好地理解了：
-
局部变量是如何创建的？
-
局部变量不初始化时，内容为什么是随机的？
-
函数调用时参数是如何传递的？传参的顺序又是怎样的？
-
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？
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