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浅谈函数栈帧

发表于 更新于 分类于 Valine：

先说说函数栈帧的概念，函数栈帧又叫函数运行时堆栈，栈帧也叫过程活动记录，是编译器用来实现函数调用的一种数据结构。这个该概念说起来比较抽象，简单的说就是函数在被调用时的一块空间，这个空间由esp寄存器和ebp寄存器共同维护。首先应该明白，栈是从高地址向低地址延伸的。每个函数的每次调用，都有它自己独立的一个栈帧，这个栈帧中维持着所需要的各种信息。寄存器ebp指向当前的栈帧的底部(高地址)，寄存器esp指向当前的栈帧的顶部(低地址)。

main函数的调用

程序的入口必须是main吗？每当我们在点击一个(或者在命令行打开)一个C程序的时候，程序立马就能运行起来，从刚开始学习C语言的时候我们都直到main函数是程序的入口。至于为什么这么说完全是因为ANSIC就是这么规定的，一个程序的执行并不一定需要main函数，但是一定需要一个入口，做过单片机的同学应该深有体会。起来从CPU角度来看，将要执行的指令地址放在程序计数器里，程序需要执行必然需要一个入口地址。通用的可执行文件格式总会指定一个入口地址，这样操作系统才可以调度这样一个程序执行指令。所谓的main函数，就是执行时把这个程序装入任务调度器中，调度器执行调度的入口函数而已，而main函数只是个程序员和调度器之间的约定。

mainCRTStartup函数：扯得有点远了，在VC++下，连接器对控制台程序设置的入口函数是 mainCRTStartup，mainCRTStartup再调用main函数，mainCRTStartup所做的初始化准备工作，例如获取命令行参数、获取环境变量值，是通过调用相应的Windows系统调用来实现的。

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#include<stdio.h>

int Add(int x, int y){
	int z = x + y;
	return z;
}

int main(void)
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = Add(a, b);
	printf("c = %d\n",c);
	return 0;
}

下面是其反汇编代码： 

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int Add(int x, int y){
009613D0  push        ebp  
009613D1  mov         ebp,esp  
009613D3  sub         esp,0CCh  
009613D9  push        ebx  
009613DA  push        esi  
009613DB  push        edi  
009613DC  lea         edi,[ebp-0CCh]  
009613E2  mov         ecx,33h  
009613E7  mov         eax,0CCCCCCCCh  
009613EC  rep stos    dword ptr es:[edi]  
	int z = x + y;
009613EE  mov         eax,dword ptr [x]  
009613F1  add         eax,dword ptr [y]  
009613F4  mov         dword ptr [z],eax  
	return z;
009613F7  mov         eax,dword ptr [z]  
}
009613FA  pop         edi  
009613FB  pop         esi  
009613FC  pop         ebx  
009613FD  mov         esp,ebp  
009613FF  pop         ebp  
00961400  ret  
------------------- main.c ------------------------

int main(void){
00961410  push        ebp  
00961411  mov         ebp,esp  
00961413  sub         esp,0E4h  
00961419  push        ebx  
0096141A  push        esi  
0096141B  push        edi  
0096141C  lea         edi,[ebp-0E4h]  
00961422  mov         ecx,39h  
00961427  mov         eax,0CCCCCCCCh  
0096142C  rep stos    dword ptr es:[edi]  
	int a = 10;
0096142E  mov         dword ptr [a],0Ah  
	int b = 20;
00961435  mov         dword ptr [b],14h  
	int c = Add(a, b);
0096143C  mov         eax,dword ptr [b]  
0096143F  push        eax  
00961440  mov         ecx,dword ptr [a]  
00961443  push        ecx  
00961444  call        _Add (09610E6h)  
00961449  add         esp,8  
0096144C  mov         dword ptr [c],eax  
	printf("c = %d\n",c);
0096144F  mov         esi,esp  
	printf("c = %d\n",c);
00961451  mov         eax,dword ptr [c]  
00961454  push        eax  
00961455  push        965858h  
0096145A  call        dword ptr ds:[969118h]  
00961460  add         esp,8  
00961463  cmp         esi,esp  
00961465  call        __RTC_CheckEsp (0961140h)  
	system("pause");
0096146A  mov         esi,esp  
0096146C  push        965864h  
00961471  call        dword ptr ds:[969110h]  
00961477  add         esp,4  
0096147A  cmp         esi,esp  
0096147C  call        __RTC_CheckEsp (0961140h)  
	return 0;
00961481  xor         eax,eax  
}
00961483  pop         edi  
00961484  pop         esi  
00961485  pop         ebx  
00961486  add         esp,0E4h  
0096148C  cmp         ebp,esp  
0096148E  call        __RTC_CheckEsp (0961140h)  
00961493  mov         esp,ebp  
00961495  pop         ebp  
00961496  ret

由此也可以看出编程语言的进化历程，要是现在还是由我们来写这些汇编代码，想想都难受…

汇编指令简述

数据传送指令

这部分指令包括通用数据传送指令MOV、条件传送指令CMOVcc、堆栈操作指令PUSH/PUSHA/PUSHAD/POP/POPA/POPAD、交换指令XCHG/XLAT/BSWAP、地址或段描述符选择子传送指令LEA/LDS/LES/LFS/LGS/LSS等。注意，CMOVcc不是一条具体的指令，而是一个指令簇，包括大量的指令，用于根据EFLAGS寄存器的某些位状态来决定是否执行指定的传送操作。

在本例中，可以将MOV指令理解为赋值语句，例如 mov ebp，esp就是将esp中的值赋给ebp；push指令理解为压栈，例如 push ebx 就是将ebx寄存器压栈(入栈)，同样的道理，pop ebx 就是将ebx寄存器弹栈(出栈)，例如 lea edi,[ebp-0E4h] 就是取源操作数地址的偏移量，并把它传送到目的操作数所在的单元

整数和逻辑运算指令

这部分指令用于执行算术和逻辑运算，包括加法指令ADD/ADC、减法指令SUB/SBB、加一指令INC、减一指令DEC、比较操作指令CMP、乘法指令MUL/IMUL、除法指令DIV/IDIV、符号扩展指令CBW/CWDE/CDQE、十进制调整指令DAA/DAS/AAA/AAS、逻辑运算指令NOT/AND/OR/XOR/TEST等。

在本例中用到了 add和sub 指令，例如add esp,8，就是给esp寄存器中的值加上8，执行加法运算；还有一个是cmp指令，cmp是比较指令,cmp的功能是相当于减法指令,只是不保存结果.cmp指令执行后,将对标志寄存器产生影响.其他相关指令通过识别这些被影响的标志寄存器来得知比较结果.

串操作指令

这部分指令用于对数据串进行操作，包括串传送指令MOVS、串比较指令CMPS、串扫描指令SCANS、串加载指令LODS、串保存指令STOS，这些指令可以有选择地使用REP/REPE/REPZ/REPNE和REPNZ的前缀以连续操作。

本例中使用到了rep stos等等
lea edi,[ebp-0C0h]
mov ecx,30h
mov eax,0CCCCCCCCh
rep stos dword ptr es:[edi]
rep指令的目的是重复其上面的指令.ECX的值是重复的次数.
STOS指令的作用是将eax中的值拷贝到ES:EDI指向的地址.
LEA叫做loadEffectiveAddress，加载有效的地址

其他指令在本例中未出现，故在此不再赘述

函数栈帧解析

看完上述的汇编指令简述，再次看到汇编语言应该就不那么陌生了，接下来正式进入函数栈帧的分析环节main的函数栈帧

由前面我们已经知道，是mainCRTStartup函数调用的main函数，main函数终究也是一个函数，是函数调用就肯定需要空间的，由esp寄存器和ebp寄存器来维护这块空间，这块空间就叫函数栈帧

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00961410  push        ebp  
00961411  mov         ebp,esp  
00961413  sub         esp,0E4h  
00961419  push        ebx  
0096141A  push        esi  
0096141B  push        edi  
0096141C  lea         edi,[ebp-0E4h]  
00961422  mov         ecx,39h  
00961427  mov         eax,0CCCCCCCCh  
0096142C  rep stos    dword ptr es:[edi]

首先将ebp寄存器压栈，然后将ebp的位置移向了esp的位置，esp有向上移动了04E个位置，然后将ebx、esi、edi寄存器压栈，然后让edi寄存器加载红线所示的地址，从edi的位置开始copy，重复拷贝ecx次数据，一次拷贝的大小是双字节(4个字节)，拷贝到eax里面!

0CCCCCCCC在被解析的时候就是乱码，对应的ACCSI码也就是”烫”,所以我们在使用未初始化的变量的时候又时会打印出”烫烫烫…”这也就不足为奇了

变量的创建以及函数调用时参数拷贝：

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int a = 10;
0096142E  mov         dword ptr [a],0Ah  
int b = 20;
00961435  mov         dword ptr [b],14h  
int c = Add(a, b);
0096143C  mov         eax,dword ptr [b]  
0096143F  push        eax  
00961440  mov         ecx,dword ptr [a]  
00961443  push        ecx

可以看出，首先创建了a和b变量并做了相应的初始化操作，然后将b的值放入到eax寄存器中，然后将eax寄存器压栈，同样把a变量放入ecx寄存器中，然后将ecx压栈:

也可以得出结论：

  • C语言中所有的参数传递都是值传递，形式参数只是实参的一份临时拷贝
  • 后面的参数先被压入栈中，即参数传递的顺序是右向左的

Add函数的函数的函数栈帧

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00961444  call        _Add (09610E6h)  
00961449  add         esp,8

call指令先将下一条指令语句的给地址存起来了，方便在函数执行完毕之后执行下一条语句，这一点至关重要，一个函数执行完毕一定要跳到下一条语句的地方继续执行才可以。Add函数栈帧的创建于main函数栈帧的创建与初始化操作是一样的，同样的道理Add函数也是采用同样的方式初始化 

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009613D0  push        ebp  
009613D1  mov         ebp,esp  
009613D3  sub         esp,0CCh  
009613D9  push        ebx  
009613DA  push        esi  
009613DB  push        edi  
009613DC  lea         edi,[ebp-0CCh]  
009613E2  mov         ecx,33h  
009613E7  mov         eax,0CCCCCCCCh  
009613EC  rep stos    dword ptr es:[edi]
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//接下来就是创建Z变量并且执行加法操作将结果返回
00DE13EE  mov         eax,dword ptr [x]  
00DE13F1  add         eax,dword ptr [y]  
00DE13F4  mov         dword ptr [z],eax  
00DE13F7  mov         eax,dword ptr [z]
00DE13FA  pop         edi  
00DE13FB  pop         esi  
00DE13FC  pop         ebx  
00DE13FD  mov         esp,ebp  
00DE13FF  pop         ebp  
00DE1400  ret

首先将x的值放入eax寄存器中，然后执行加法运算将结果放入eax寄存器中，然后把eax寄存器中的值放入变量z，然后将z的值存入eax寄存器作为返回，接着将edi、esi、ebx三个寄存器分别弹栈，又将ebp移向了esp的位置，此时Add函数的栈帧销毁，代表整个Add函数的结束！当pop ebp的时候，将ebp弹栈，此时下面正好就是Call指令下一条指令的地址，这样就能接着Add的函数的结束继续执行下面的代码了！ 

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00961449  add         esp,8  
0096144C  mov         dword ptr [c],eax

然后把eax寄存器中的值放入变量c，这样就拿到了Add函数的返回值，所以说返回值是寄存器带回来的！

VC6.0之坑

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#include <stdio.h>

void fun(){
	int tmp = 10;
	int *p = (int*)(* (&tmp+1));
	* (p-1) = 20;
}

int  main(void){
	int a = 0;
	fun();
	printf("a = %d\n",a);
	return 0;
}

在VC6.0的编译器下打印结果是20（VC6.0是多么可怕从这里也就可以看出了…），只要了解函数栈帧的话本题就不难解释，tmp的地址加一再解引用刚好就是main函数的ebp的地址，然后p-1得到的就是main函数中a的地址，这样的话打印出20也就不足为奇了！

函数栈帧的理解还是很重要的，其中涉及到函数栈帧的初始化，参数传递，返回值传递等等问题，学习函数栈帧就是明白函数的整个调用过程，还是非常重要的一部分！

  • 本文作者： Tim
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