C语言中函数栈帧的创建和销毁的深层分析
目录
- 一、本文目标
- 二、基础知识
- 1、寄存器
- 2、代码案例
- 3、总体栈帧概况
- 4、所需反汇编代码总览
- 三、函数栈帧创建销毁过程
- 1、_tmainCRTStartup函数(调用main函数)栈帧的创建
- 2、main函数栈帧的创建
- 3、main函数内执行有效代码(变量)
- 4、Add函数栈帧的创建
- 5、Add函数内执行有效代码
- 6、Add函数栈帧的销毁
- 7、main函数栈帧的销毁
- 四、总结
一、本文目标
1、局部变量是怎么创建的?
2、为什么局部变量的值是随机值?
3、函数是怎么传参的?传参的顺序是怎样的?
4、形参和实参是什么关系?
5、函数调用是怎么做的?
6、函数调用结束后是怎么返回的?
当我们深入理解函数栈帧创建和销毁,答案自然就清楚了。正文开始:
二、基础知识
1、寄存器
寄存器名称 | 简介 |
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, 在内存寻址时存放基地址。 |
ecx | 计数器,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 | 源索引寄存器 |
edi | 目标索引寄存器 |
ebp | (栈底指针)"基址指针",存放的是地址,用来维护函数栈帧 |
esp | (栈顶指针)专门用作堆栈指针,存放的是地址,用来维护函数栈帧 |
2、代码案例
本文依赖的编译器: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、总体栈帧概况
每一个函数调用都要在栈区为它开辟空间,像上述的代码中,有肉眼可见的main函数和Add函数,相应的需要为它俩开辟空间,但其实main函数也是被调用的,当我们针对上述代码按下F10,按到return 0时再按一次,就会跳出以下界面
由图得知,main函数是被__tmainCRTStartup函数调用的,而 __tmainCRTStartup又是被mainCRTStartup调用的。先看下总体函数栈帧开辟情况:
两个重要知识点:
- 压栈(push):给栈顶放一个元素
- 出栈(pop) :从栈顶删除一个元素
接下来会详细讲解下函数栈帧的开辟情况:
4、所需反汇编代码总览
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、函数栈帧创建销毁过程
1、_tmainCRTStartup函数(调用main函数)栈帧的创建
根据上文,我们已经知晓main函数是被_tmainCRTStartup函数所调用的,自然要为它开辟栈帧,这块空间应该由ebp和sep俩寄存器来维护,前提是下面高地址,上面低地址。如图:
此时进入main函数,首先要push进行压栈:
push ebp就是把ebp压到栈顶上,此时sep相应的移动到新栈顶上,可以通过监视来验证:
图示如下:
接下来执行mov操作:
此行代码意思就是把sep赋给ebp,所以ebp指向的位置即为sep所指向的位置,但是源操作地址位置不变,可通过监视来验证
接着执行sub操作:
该操作就是给esp减去个0E4h ,此时esp的位置就要往上面去,通过监视观察:
此时此刻执行完sub操作,其实就已经进入到下文的main函数栈帧的开辟,至此_tmainCRTStartup函数栈帧的开辟已完成。图示见下文:
2、main函数栈帧的创建
接上文,图示如下:
接下来进行三次push操作: 把ebx、sei、edi顺次压栈压进去,相应的esp也要往上走。
通过监视看看:
图示如下:
接下来执行下列三个步骤
操作lea(load effecitve address)加载有效地址。就是相当于把[ebp+FFFFFF1Ch]放到edi里头,显示符号名后[ebp+FFFFFF1Ch]就是[ebp-0E4h],前面已经执行过-0E4h,这里再执行一次放到edi里头去。接着mov把39h放到ecx里头去,再mov此时eax放的就是0CCCCCCCCh
上述操作执行后的目的就是从刚才的edi开始向下的39h次这么多个dword(1个word2字节,2dword4个字节)全部改为0CCCCCCCCh
通过监视看下:
图示如下:
至此,main栈帧的开辟已经完成,接下来就要执行正式有效代码,见下文:
3、main函数内执行有效代码(变量)
接下来执行以下操作:
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,如图:
此时此刻a、b、c这三个变量均已创建完成,接下来进行Add函数调用:先进行传参
首先,mov把ebp-14h(b=20)放到eax里头。接下来再push, 压栈把eax(20)放到栈顶,相应esp也要移动,同理mov把ebp-8(a=10)放到ecx里头,再push把ecx放到栈顶。如图所示:
接着执行call操作,调用Add函数,按F10执行到call时,按下F11,此时就跳到Add函数内部并且把call指令的下一条指令的地址压到栈顶。这么做的目的是在接下来跳到Add函数里去回来时方便回到该地址,如图:
按下F11,此时就正式进入Add函数内部 并为其开辟栈帧,详情见下文:
4、Add函数栈帧的创建
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]
而前面这些操作跟先前main函数内部操作一样,其实就是在为Add函数准备我们的栈帧
首先,push ebp把ebp压栈到栈顶,再mov把esp赋给ebp,再sub,把esp-去0CCh,此步骤就是在为Add函数开辟空间,接着进行三次push,同main函数那样,同理,依旧是初始化成CCCCCCCC,详细过程不再赘述,跟上文main函数一样,如图所示:
至此,Add栈帧的开辟已基本完成,接下来就要执行正式有效代码,见下文:
5、Add函数内执行有效代码
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,接着mov把ebp+8的值放到eax里头去,此时eax就是10。再add给eax加上ebp+0ch,就是把20加进去,此时eax就是30,加完后再把eax(30)放到ebp-8里头去,最终的结果(30)放到z里头去。
此时Add函数内部有效代码执行完毕,见图:
接下来就要进行返回了,也就是Add函数栈帧的销毁,见下文:
6、Add函数栈帧的销毁
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
上文已经知道此时已经把ebp-8的值(30)放到eax里头去,接下来执行三次pop,一次弹出,esp就会加加一次,如图:
接着,把ebp赋给esp,再pop把ebp弹出,此时esp也要移动,此时esp和ebp又回到了先前维护main函数栈帧的样子。如图所示:
此时esp指向的就是call指令的下一条指令的地址,再按一次F10,此时反汇编就会这样:
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
}
此时我们就会明白先前存放call指令的下一条指令的地址就是为了方便回来,先前ret执行后esp的位置发生变化:
此时Add函数的栈帧算是真正销毁,接下来进行main函数栈帧的销毁 。
7、main函数栈帧的销毁
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
}
通过反汇编代码得知,此时指向add操作把esp加上8,此时就把x和y这两个形参释放回来了,指向如图所示位置:
接下来mov把eax放到ebp-20h上,而eax就是我们出Add函数时计算的和,此时和就被我们带回来了,接下来就是main函数栈帧的销毁了,跟上文Add函数栈帧的销毁没有太大区别,这里不多做赘述。
而反汇编代码如下:
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、总结
至此,函数栈帧的创建和销毁正式结束,而本文一开始的几个问题(目标)也能清晰得知:
如下:
1、局部变量是怎么创建的?
首先,为函数分配好栈帧空间并初始化后,然后给局部变量在栈帧里头分配一点空间。
2、为什么局部变量的值是随机值?
因为随机值是我们在开辟栈帧时就放进去的,而我们初始化的时候,就是把随机值给覆盖了。
3、函数是怎么传参的?传参的顺序是怎样的?
当我要调用函数之前,就已经push、push把这两个参数从右向左压栈压进去,当我们真正进入形参函数的时候,在Add函数栈帧里头通过指针的偏移量找到了形参。
4、形参和实参是什么关系?
形参确实是在压栈时开辟的空间,形参和实参只是值上是相同的,空间上是独立的,形参是实参的一份临时拷贝,改变形参不会影响实参。
5、函数调用结束后是怎么返回的?
我们在调用之前就已经把call指令下一条指令的地址给压进去,当函数调用完要返回的时候,就会跳转到call指令下一条指令的地址,返回值是通过寄存器带回来的。
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