C语言---函数栈帧---超详解

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前言

之前学习C语言函数递归的时候遇到了许多的疑惑和困难所以今天就讲一讲函数递归的一些基本原理—函数栈帧的创建与销毁来揭开函数递归的神秘面纱。

   之前学习递归的时候产生的疑惑：

• 局部变量是怎么创建的？
• 为什么局部变量的值是随机值？
• 函数是怎么传参的？传参的顺序又是怎样的？
• 形参和实参是什么关系？
• 函数调用是怎么做的？
• 函数调用结束后是怎么返回的？

  而这些疑惑今天我都会带着大家解开。并且今天的内容建议使用的环境是Visual Studio 2013建议不要使用太高级的编译器因为我们在学习的过程中需要随时对我们的程序运行过程进行观测而越是高级的编译器会自动优化封装更加复杂随之而来的就是越不容易学习和观察。

  并且在不同的编译器下函数调用过程中栈帧的创建和销毁大体逻辑上是相同的但细节上是略有差异的具体细节取决于编译器的实现。

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一、寄存器概念

  在开始了解函数栈帧的创建与销毁之前我们首先要了解一下计算机CPU内部的重要组成——寄存器。

 寄存器百度百科简介：

  寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。其实寄存器就是一种常用的时序逻辑电路但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的因为一个锁存器或触发器能存储1位二进制数所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存储容量的高速存储部件它们可用来暂存指令、数据和位址。

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 寄存器最起码具备的4种功能

• 清除数码：将寄存器里的原有数码清除。
• 接收数码：在接收脉冲作用下将外输入数码存入寄存器中。
• 存储数码：在没有新的写入脉冲来之前寄存器能保存原有数码不变。
• 输出数码：在输出脉冲作用下才通过电路输出数码。

  仅具有以上功能的寄存器称为数码寄存器；有的寄存器还具有移位功能称为—移位寄存器。

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 寄存器的类型

• 通用寄存器组
• 指针和变址寄存器
• 段寄存器
• 指令指针寄存器IP
• 标志寄存器FR

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 指针和变址寄存器

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 两个特别的寄存器

• EBP：扩展基址指针寄存器(extended base pointer)其内存放着一个指针该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的栈底。

• ESP：扩展堆栈指针寄存器(extended stack pointer)其内存放着一个指针该指针永远指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶。

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二、函数栈帧的指令介绍

  对于每一个函数在进行创建和使用时都会在内存中创建一块临时空间并在临时空间内进行函数的处理。

  每一个函数被创建就会在栈上创建一块空间并且会使EBP与ESP来进行维护也就是说ESP与EBP是专门维护新创立的函数的。

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 函数栈帧中的几个重要指令

• push—学过c++的stl的同学我感觉应该熟悉push意思就是推、压这里就是创建一块空间。
• sub—就是相减作差。
• mov—就是赋值的意思。
• leamovmovrep stos的意思是把lea这个为起始到reo stos这里之间的16进制数字将第一个mov的值全部改写成第二个mov的值。
• pop—学过stl的其实知道就是减其实应用这里就是释放栈帧其实就是销毁。

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 所用用到的指令

int main()
{
001C18B0  push        ebp  
001C18B1  mov         ebp,esp  
001C18B3  sub         esp,0E4h  
001C18B9  push        ebx  
001C18BA  push        esi  
001C18BB  push        edi  
001C18BC  lea         edi,[ebp-24h]  
001C18BF  mov         ecx,9  
001C18C4  mov         eax,0CCCCCCCCh  
001C18C9  rep stos    dword ptr es:[edi]  
001C18CB  mov         ecx,1CC008h  
001C18D0  call        001C131B  
	int a = 10;
001C18D5  mov         dword ptr [ebp-8],0Ah  
	int b = 20;
001C18DC  mov         dword ptr [ebp-14h],14h  
	int c = Add(a, b);
001C18E3  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
001C18E6  push        eax  
001C18E7  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]  
001C18EA  push        ecx  
001C18EB  call        001C10B4  
001C18F0  add         esp,8  
001C18F3  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  
	printf("%d + %d = %d\n", a, b, c);
001C18F6  mov         eax,dword ptr [ebp-20h]  
001C18F9  push        eax  
001C18FA  mov         ecx,dword ptr [ebp-14h]  
001C18FD  push        ecx  
001C18FE  mov         edx,dword ptr [ebp-8]  
001C1901  push        edx  
001C1902  push        1C7B30h  
001C1907  call        001C10D2  
001C190C  add         esp,10h  
 
	return 0;
001C190F  xor         eax,eax  
}
001C1911  pop         edi  
001C1912  pop         esi  
001C1913  pop         ebx  
001C1914  add         esp,0E4h  
001C191A  cmp         ebp,esp  
001C191C  call        001C1244  
001C1921  mov         esp,ebp  
001C1923  pop         ebp  
001C1924  ret

  （一）这里先写一个程序以便于后续的讲解：

#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; 
}

  （二）这里根据VS2013就可以看到这里的指令

  这里是为了main函数做准备所以下面就开始讲解函数栈帧的

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三、函数栈帧的创建

  函数__tmainCRTStartup的建立

  （一） 指令1.push

  （二） 指令2.move

  （三） 指令3.sub

  （四） 指令456.push

前面指令的汇总：

  （五） 指令78910

PS：mov39h个内容全部改成0cccccccch
   dword是四个字节的意思

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  main函数建立

  （一） 指令1.将0Ah赋值给[ebp-8]

  （二） 指令2.将14h赋值给[ebp-14h]

  （三） 指令3.将0赋值给[ebp-20h]

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  Add函数建立

这里没见过的 详细讲见过的就不说了。比如push
指令1.把[ebp-14h]放到eax
指令2.把[ebp-8]放到ecx
指令3.call指令

这里由于前面讲解并且指令简单所以就直接给大家上图啦~

  以上是整理栈帧建立的知识图谱

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四、函数栈帧的销毁

  三连pop之后就是把我的ebp赋值给esp

  最后执行最后一条ret指令而此时 ret 指令要回到的又恰恰是此前 call 指令存储在EBP弹出后变为栈顶的那个地址：00C21450

  然后按照指令依次释放就算是销毁了之前的函数栈帧直到主函数的return 0；

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总结

  写到这里函数栈帧的创建以及销毁算是讲完了但是奈不住我讲的不好或者同学们没听懂我的建议是给我提意见或者仔细多看几遍这样才能学明白函数栈帧。

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