【C语言】函数执行背后的秘密：函数栈帧的创建和销毁超详解

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1. 什么是函数栈帧

2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢？

3. 函数栈帧的创建和销毁解析

3.1 什么是栈？

3.2 认识相关寄存器和汇编指令

3.3 解析函数栈帧的创建和销毁

3.3.1 预备知识

3.3.2 函数的调用堆栈

3.3.4 准备环境

3.3.5 转到反汇编

3.3.6 函数栈帧的创建

3.3.7 函数栈帧的销毁

4. 问题解答

总结

1. 什么是函数栈帧

我们在写C语言代码的时候，经常会把一个独立的功能抽象为函数，所以C程序是以函数为基本单位的。那函数是如何调用的？函数的返回值又是如何待会的？函数参数是如何传递的？这些问题都和函数栈帧有关系。
函数栈帧（stack frame）就是函数调用过程中在程序的调用栈（call stack）所开辟的空间，这些空间是用来存放：

函数参数和函数返回值
临时变量（包括函数的非静态的局部变量以及编译器自动生产的其他临时变量）
保存上下文信息（包括在函数调用前后需要保持不变的寄存器）

2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢？

理解函数栈帧有什么用呢？
只要理解了函数栈帧的创建和销毁，以下问题就能够很好的理解了：

局部变量是如何创建的？
为什么局部变量不初始化内容是随机的？
函数调用时参数时如何传递的？传参的顺序是怎样的？
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会的？

让我们一起走进函数栈帧的创建和销毁的过程中。

3. 函数栈帧的创建和销毁解析

3.1 什么是栈？

栈（stack）是现代计算机程序里最为重要的概念之一，几乎每一个程序都使用了栈，没有栈就没有函数，没有局部变量，也就没有我们如今看到的所有的计算机语言。

在经典的计算机科学中，栈被定义为一种特殊的容器，用户可以将数据压入栈中（入栈，push），也可以将已经压入栈中的数据弹出（出栈，pop），但是栈这个容器必须遵守一条规则：先入栈的数据后出栈（First In Last Out， FIFO）。就像叠成一叠的术，先叠上去的书在最下面，因此要最后才能取出。

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。

3.2 认识相关寄存器和汇编指令

相关寄存器

eax：通用寄存器，保留临时数据，常用于返回值
ebx：通用寄存器，保留临时数据
ebp：栈底寄存器
esp：栈顶寄存器
eip ：指令寄存器，保存当前指令的下一条指令的地址

相关汇编命令

mov ：数据转移指令
push：数据入栈，同时esp栈顶寄存器也要发生改变
pop ：数据弹出至指定位置，同时esp栈顶寄存器也要发生改变
sub ：减法命令
add ：加法命令
call ：函数调用，1. 压入返回地址 2. 转入目标函数
jump：通过修改eip，转入目标函数，进行调用
ret ：恢复返回地址，压入eip，类似pop eip命令

3.3 解析函数栈帧的创建和销毁

3.3.1 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：

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，本次演示以VS2019为例。

3.3.2 函数的调用堆栈

演示代码：

#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;
}

这段代码，如果我们在VS2019编译器上调试，调试进入Add函数后，我们就可以观察到函数的调用堆栈（右击勾选【显示外部代码】），如下图：

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：

3.3.4 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：

3.3.5 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，此处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], eax
		printf("%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
}

3.3.6 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代码。

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0xCC
00BE182C  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;
}

小知识：烫烫烫~

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

Add函数的传参

//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

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。

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 寄存器中准备带回。

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。

3.3.7 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：

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。

拓展了解：

其实返回对象时内置类型时，一般都是通过寄存器来带回返回值的，返回对象如果时较大的对象时，一般会在主调函数的栈帧中开辟一块空间，然后把这块空间的地址，隐式传递给被调函数，在被调函数中通过地址找到主调函数中预留的空间，将返回值直接保存到主调函数的。