C语言函数栈帧详解

目录
  • 前言
  • 一.函数栈帧是什么？
  • 二、栈帧准备知识
    • 1.内存分区
    • 2.什么是栈？
  • 三、详解栈帧创建与销毁全过程
    • 调用函数之前：
      • 将传入函数的值放入栈中
    • 函数执行：
      • 1.保护当前ebp
      • 2.创建所需调用函数的栈帧空间
      • 3.保存局部变量
      • 4.参数运算
    • 函数返回：
      • 1.存储返回值
      • 2.销毁空间
      • 3.ebp回上一栈帧栈底
      • 4.销毁形参
      • 5.main函数拿到返回值
  • 总结

前言

在c语言中我们会将一些功能单独写成一个函数，以供主函数调用，在表面来看调用的过程就是写出一个函数后，只需要在调用时中通过函数名将实参传给形参就实现了整个过程，但实际上调用的过程远比你想的复杂，这其中函数栈帧起着关键作用。通过本篇文章，我将告诉你函数在调用时计算机内究竟发生了什么？

一.函数栈帧是什么？

C语言中，每个栈帧对应着一个未运行完的函数。栈帧中保存了该函数的返回地址和局部变量。(来自百度百科）。

通过这句话我们可以提炼出两个关键信息：

1.每个未运行完的函数都有一个对应的栈帧

2.栈帧保存了函数的返回地址和局部变量

先对栈帧有一个简单的概念，知道其主要作用是什么就行。

二、栈帧准备知识

由于函数栈帧不光涉及c语言代码知识，如果是小白一定要认真看本节，这对帮助你理解栈帧非常重要，也不要因为发现这些知识你之前完全没听说过就产生畏难心理，事实上，我们只需要掌握期其中一些非常关键的地方就足够了。

1.内存分区

内存中主要分为栈区，堆区，静态区，以及其他部分。

栈区：由高地址往低地址增长，主要用来存放局部变量，函数调用开辟的空间，与堆共享一段空间。（本篇重点）

堆区：由地地址向高地址增长，动态开辟的空间就在这里（malloc，realloc，calloc，free），与栈共享一段空间。

静态区：主要存放全局变量和静态变量。

2.什么是栈？

前面已经知道栈中存放了函数调用开辟的空间即栈帧，因此我们要明白什么是栈帧，必须先知道什么是栈。

栈是一种数据结构，是一种只能在一端进行插入和删除操作的特殊线性表。它按照先进后出的原则存储数据，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（最后放入的数据被最先读出来）。

简单来讲你可以把栈理解为一个弹夹，而我们放的数据就像子弹，当我们射子弹时，总是会把后压入的弹先射出去，因为后压入的弹一定是放在最上面的，而先压入的弹后射出去，因为先压入的弹在最下面。这就是栈最大的特点"先入后出，后入先出"，而往栈中放数据我们称作压栈（push），拿出栈中的数据我们叫出栈（pop）。

压栈（push)：

出栈（pop）：

3.esp，ebp，eax寄存器

ebp ebp是基址指针，保存调用者函数的地址，总是指向当前栈帧栈底
esp esp是被调函数指针，总指向函数栈栈顶
eax 累加器，用来乘除法，与函数返回值(本篇主要关注第二个功能）

简单来讲就是esp和ebp是两个指针，ebp指向当前栈帧栈底，esp指向函数栈栈顶。

能看到，ebp并不是指向整个函数栈的栈底，而是指向当前栈帧的栈底，而由于esp总是指向栈顶，且栈只允许一个方向的操作，因此esp指向其实也是当前栈帧的栈顶，不过当前栈帧的栈顶始终与栈顶相同，因此说esp指向的是栈顶。

三、详解栈帧创建与销毁全过程

有了以上知识就能够初步理解栈帧从创建到销毁的全过程了，接下来我会一步一步讲解

假设我们有当前代码：

#include<stdio.h>
int add(int a, int b)
{
	int c = 0;
	c = a + b;
	return c;
}
int main()
{
	int a = 1;
	int b = 1;
	int sum;
	sum = add(a, b);
	return 0;
}

调用函数之前：

此时我们准备执行函数调用"sum = add(a,b);"此时栈中如下:

将传入函数的值放入栈中

由于函数调用涉及到传参，因此我们在调用函数之前，需要先将传入的参数保存，以方便函数的调用，因此需要将add函数的a=1,b=2,push入栈保存

函数执行：

1.保护当前ebp

由于我们马上要创建新的栈帧空间，因此ebp和esp都得将变动，为了能够让我们调用完add函数后还能让ebp回到当前位置我们需要对ebp的值进行保护，即将此时ebp的值压入栈（至于为什么不需要保护esp，看到后面你就能明白）

2.创建所需调用函数的栈帧空间

令ebp指向当前esp的位置并根据add函数的参数个数，创建一个大小合适的空间。

① ebp指向当前esp的位置

②创建空间

3.保存局部变量

将add函数中创建的变量"int c = 0"放入刚刚开辟的栈帧空间中

4.参数运算

根据形参与局部变量，进行对应的运算，这里执行"c = a +b", 得到 c = 2,放入刚才c对应的位置。

到次函数执行就完成了，接下来就要开始实现函数返回

函数返回：

1.存储返回值

现在我们已经达成了目的"add(a,b)",要将之前创建的add的函数栈销毁，以使得我们能够回到main函数中正常执行，而在销毁add的函数栈帧前我们的main函数可还没有拿到运算结果，因此我们需要先将需要返回的值存储起来，存储的位置就是前面提到的eax寄存器，这里"return c",我们将c的值放到eax寄存器中。

2.销毁空间

拿到了运算结果后，我们就没有任何任何顾虑了，可以直接销毁函数的栈桢空间了。

3.ebp回上一栈帧栈底

此时ebp拿到之间存储的上一栈帧栈底的值，回到相应的位置，于此同时，存储的ebp没有用了，也将被销毁。

4.销毁形参

形参也不再有用，因此也随即销毁。（这里也让我们明白：由于形参在调用完函数后就会销毁，且与实参根本不是同一地址，因此形参的改变无法影响实参。）

5.main函数拿到返回值

在讲解main函数怎么拿到返回值前，我想先问一个问题：

上图中所谓的前一栈帧指的是什么？

大家都知道，我们编写的c程序都是从一个main函数开始的，实际上，代码并不是直接从main函数开始运行的，main函数的本质也是一个被其他代码调用的函数，至于被谁调用，这里就不展开讲解了，这里提出这个问题是想要大家知道：

main函数是一个函数，它有自己的栈帧。

因此所谓的前一栈帧实际上就是调用add函数的main函数的栈帧。

因此我们要让main函数拿到返回值，只需要把eax寄存器中的值放入main栈帧中sum对应的位置就行。（这里也能让我们明白：由于我们只有一个eax寄存器，因此c语言的函数只能有一个返回值。）

至此栈帧的创建与销毁结束，函数调用完成。

总结

本篇文章就到这里了，希望能够给你带来帮助，也希望您能够多多关注我们的更多内容！

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