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函数栈帧的创建和销毁

大雁f 2022-04-25 阅读 110
c语言

文章目录

一、什么是函数栈帧


 比如我们在C语言中的学习中,都会创建一个main函数以及其他拥有独立功能的函数。
 在这个函数调用过程中,内存中会有一块区域,用来实现程序的函数调用里的功能,这块区域我们可以叫函数栈(或调用栈)。每个未退出的函数都会在函数栈(或调用栈)开辟一块数据区,就是函数栈帧

 接下来在VS2019的环境下主要通过反汇编观察在函数调用时,函数栈发生了什么,从而了解到函数栈帧的创建和销毁

 不过在此前先让我们认识下一些概念。

二、ESP、EBP、栈的概念

 1、栈的概念

 栈是一种先入后出(或是后入先出)的结构,通常入栈(push)和出栈(pop)操作的一端称为栈顶,另一端称为栈底。

 可以形象的理解为"一堆书",每次入栈就是再添加一本书在最上面,这个时候高度top也会+1。

 而在计算机中,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。
 并且在压数据入栈时,是先从高地址开始压,再向低地址的。

 2、ESP和EBP

  • esp 栈指针寄存器(extended stack pointer),其内存放着一个指针,该指针记录着栈顶的地址。
  • ebp 基址指针寄存器(extended base pointer),其内存放着一个指针,该指针记录着栈底的地址。

在这里插入图片描述

 3、认识汇编指令和其他寄存器

其他寄存器

  • 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
  • eip:指令寄存器,保存当前指令的下一条指令的地址

汇编指令:

  • 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. 栈中压入返回地址 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(回到原来call时栈中压入的地址,并且会pop栈中这个地址)


三、通过编译器了解栈帧的创建和销毁

 1、函数的调用堆栈

接下来我们通过这段代码在VS2019进行演示。

#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", c);
	return 0;
}

首先通过F11调用,从main函数开始调用,然后在调试窗口中找到调用堆栈。
在这里插入图片描述
这个时候我们可以看到调用堆栈窗口的出现
通过双击 function.exe!invoke_main()

在这里插入图片描述
我们可以清晰的看到,原来在main是由invoke_main 函数调用的。

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。
在这里插入图片描述

 2、准备环境和反汇编

首先为了方便观察反汇编代码,关闭以下选项,减少干扰。

在这里插入图片描述
在调用状态下,进入反汇编
在这里插入图片描述

 3、转到反汇编

首先鼠标右键关闭 显示符号名 这也是为了我们更好的观察代码

 (1)为main函数创建栈帧

而通过 push ebp 操作后 在原来的栈空间上压栈了一个ebp的地址内容

接下来通过mov操作,将esp赋值给ebp,esp和ebp都是原来esp的值。
(要知道在这之前保存了原来ebp指向的地址)
通过让esp和ebp指向同一位置(图中右边地址一样),为接下来的栈帧开辟做好了准备
在这里插入图片描述

接下来push三个寄存器的值,为了保留临时数据,同时也改变了esp的指向位置
在这里插入图片描述

而lea(load effective address)将ebp-24h位置的地址存到edi中。
将9存入ecx中,将0CCCCCCCCh存入eax中。
最后一句的意思是,将从edp-0x24h到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为0CCCCCCCCh。

此时内存为这样
在这里插入图片描述

 (2)进入其他函数创建栈帧

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
call指令,访问002110B4地址,再会压栈一个call指令下一条指令的地址(也就是0021185D),记录返回后访问的地址。

在这里插入图片描述

 (3)销毁Add函数栈帧

在这里插入图片描述
call地址返回地址0021185D,以后esp+8,又销毁两个值。
再将eax储存的30,移到ebp-20位置。
在这里插入图片描述
到这里,我们来总结一下

4、总结几个问题

  • 局部变量是如何创建的?

    通过ebp内存访问,储存在函数栈帧中。

  • 为什么局部变量不初始化内容是随机的?

    因为在创建函数栈帧的时候,中间的地址的值都是不确定的,而如果访问一个为初始化的变量,指向这些不确定的值,就是随机值。
    而初始化为0CCCCCCCCh时,有时遇到烫,因为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”。

  • 函数调用时参数时如何传递的?传参的顺序是怎样的?
    从创建局部变量的函数(比如main函数)栈帧中通过内存访问,临时拷贝在eax和ecx中再放入栈中,先访问低地址的(20),再访问高地址的(10)。

  • 函数的形参和实参分别是怎样实例化的?
    实参是在函数栈帧里通过ebp内存访问储存的值,形参是通过esp内存访问临时拷贝在eax和ecx中再入栈。

  • 函数的返回值是如何带会的?
    如Add函数中通过将在寄存器(eax)中相加得到的30,在移入Add函数栈帧中c=0的地址位置,再将这个地址位置的值传给eax,在销毁Add函数栈帧后,将eax中的值传给main函数栈帧中创建的c=0地址位置。

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