C语言——函数栈帧的创建和销毁

主题：

• 什么时函数栈帧？
• 理解函数栈帧能解决什么问题？
• 函数栈帧的创建和销毁解析

1.什么时函数栈帧

• 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：

1. 函数参数和函数返回值
2. 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）
3. 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？

• 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：

1. 局部变量是如何创建的？
2. 为什么局部变量不初始化内容是随机的？
3. 函数电泳时参数是如何传递的？传参的顺序是怎样的？
4. 函数的形参和实参分别是怎样实例化的？
5. 函数的返回值是如何带回的？

• 让我们一起走进函数栈帧的创建和销毁的过程中吧！

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

3.2.1 相关寄存器

3.2.2 相关汇编指令

3.3 解析函数栈帧的创建和销毁

3.3.1 预备知识

• 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，点击鼠标转到反汇编
• 注：VS编译器每次调试都会为程序重新分配内存，课件中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。

• 转到反汇编后的代码如下：

3.3.6 函数栈帧的创建

• 这里我们看到 main 函数转化来的汇编代码如上图所示，
• 接下来我们就一行行拆解代码

• 上面这段代码最后四句，等价于下面的伪代码：

• 上述代码的图示为：

• 小知识：烫烫烫烫烫烫烫烫~

• 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：

• 对应的图解为：

• Add函数的传参：

• 调用过程：

• 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。

• 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

3.3.7 函数栈帧的销毁

• 当函数调用结束返回的时候，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。

• 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：

3.3.8 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。具体可以参考程序员的自我修养

最后，
如果以上代码或表述有问题，
欢迎一起交流。