网站怎样做免费优化有效果,西安到北京飞机,小吃培训2000元学6项,太原网站建设公司大全✨个人主页#xff1a; 熬夜学编程的小林
#x1f497;系列专栏#xff1a; 【C语言详解】 【数据结构详解】
目录 1. 什么是函数栈帧
2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢#xff1f;
3. 函数栈帧的创建和销毁解析
3.1 什么是栈#xff1f;
3.2 认识相关寄存器和汇编指…
✨个人主页 熬夜学编程的小林
系列专栏 【C语言详解】 【数据结构详解】
目录 1. 什么是函数栈帧
2. 理解函数栈帧能解决什么问题呢
3. 函数栈帧的创建和销毁解析
3.1 什么是栈
3.2 认识相关寄存器和汇编指令
3.3 解析函数栈帧的创建和销毁
3.3.1 预备知识
3.3.2 函数的调用堆栈
3.3.4 准备环境
3.3.5 转到反汇编
3.3.6 函数栈帧的创建
3.3.7 函数栈帧的销毁
4. 问题解答
总结 1. 什么是函数栈帧 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 函数参数和函数返回值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呢 理解函数栈帧有什么用呢 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 局部变量是如何创建的为什么局部变量不初始化内容是随机的函数调用时参数时如何传递的传参的顺序是怎样的函数的形参和实参分别是怎样实例化的函数的返回值是如何带会的 让我们一起走进函数栈帧的创建和销毁的过程中。 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
相关寄存器
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ebp栈底寄存器esp栈顶寄存器eip 指令寄存器保存当前指令的下一条指令的地址 相关汇编命令
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. 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 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右击鼠标转到反汇编。
注VS编译器每次调试都会为程序重新分配内存此处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。
int main()
{//函数栈帧的创建00BE1820 push ebp00BE1821 mov ebp, esp00BE1823 sub esp, 0E4h00BE1829 push ebx00BE182A push esi00BE182B push edi00BE182C lea edi, [ebp - 24h]00BE182F mov ecx, 900BE1834 mov eax, 0CCCCCCCCh00BE1839 rep stos dword ptr es : [edi]//main函数中的核心代码int a 3;00BE183B mov dword ptr[ebp - 8], 3int b 5;00BE1842 mov dword ptr[ebp - 14h], 5int ret 0;00BE1849 mov dword ptr[ebp - 20h], 0ret Add(a, b);00BE1850 mov eax, dword ptr[ebp - 14h]00BE1853 push eax00BE1854 mov ecx, dword ptr[ebp - 8]00BE1857 push ecx00BE1858 call 00BE10B400BE185D add esp, 800BE1860 mov dword ptr[ebp - 20h], eaxprintf(%d\n, ret);00BE1863 mov eax, dword ptr[ebp - 20h]00BE1866 push eax00BE1867 push 0BE7B30h00BE186C call 00BE10D200BE1871 add esp, 8return 0;00BE1874 xor eax, eax
} 3.3.6 函数栈帧的创建 这里我看到 main 函数转化来的汇编代码如上代码。 接下来我们就一行行拆解汇编代码
00BE1820 push ebp
//把ebp寄存器中的值进行压栈此时的ebp中存放的是invoke_main函数栈帧的ebpesp - 4
00BE1821 mov ebp, esp
//move指令会把esp的值存放到ebp中相当于产生了main函数的ebp这个值就是invoke_main函数栈帧的esp
00BE1823 sub esp, 0E4h
//sub会让esp中的地址减去一个16进制数字0xe4,产生新的esp此时的esp是main函数栈帧的esp
//此时结合上一条指令的ebp和当前的espebp和esp之间维护了一个块栈空间
//这块栈空间就是为main函数开辟的就是main函数的栈帧空间这一段空间中将存储main函数
//中的局部变量临时数据已经调试信息等。00BE1829 push ebx //将寄存器ebx的值压栈esp-4
00BE182A push esi //将寄存器esi的值压栈esp-4
00BE182B push edi //将寄存器edi的值压栈esp-4
//上面3条指令保存了3个寄存器的值在栈区这3个寄存器的在函数随后执行中可能会被修改
//所以先保存寄存器原来的值以便在退出函数时恢复。//下面的代码是在初始化main函数的栈帧空间。
//1. 先把ebp-24h的地址放在edi中
//2. 把9放在ecx中
//3. 把0xCCCCCCCC放在eax中
//4. 将从edp-0x2h到ebp这一段的内存的每个字节都初始化为0xCC
00BE182C lea edi, [ebp - 24h]
00BE182F mov ecx, 9
00BE1834 mov eax, 0CCCCCCCCh
00BE1839 rep stos dword ptr es : [edi]
上面的这段代码最后4句等价于下面的伪代码
edi ebp-0x24;
ecx 9;
eax 0xCCCCCCCC;
for(; ecx 0; --ecx,edi4)
{*(int*)edi eax;
} 小知识烫烫烫~ 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 int a 3;
00BE183B mov dword ptr[ebp - 8], 3
//将3存储到ebp-8的地址处ebp-8的位置其实就是a变量int b 5;
00BE1842 mov dword ptr[ebp - 14h], 5
//将5存储到ebp-14h的地址处ebp-14h的位置其实是b变量int ret 0;
00BE1849 mov dword ptr[ebp - 20h], 0
//将0存储到ebp-20h的地址处ebp-20h的位置其实是ret变量
//以上汇编代码表示的变量a,b,ret的创建和初始化这就是局部的变量的创建和初始化
//其实是局部变量的创建时在局部变量所在函数的栈帧空间中创建的//调用Add函数ret Add(a, b);
//调用Add函数时的传参
//其实传参就是把参数push到栈帧空间中
00BE1850 mov eax, dword ptr[ebp - 14h]
//传递b将ebp-14h处放的5放在eax寄存器中
00BE1853 push eax //将eax的值压栈esp-4
00BE1854 mov ecx, dword ptr[ebp - 8] //传递a将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中
00BE1857 push ecx //将ecx的值压栈esp-4//跳转调用函数
00BE1858 call 00BE10B4
00BE185D add esp, 8
00BE1860 mov dword ptr[ebp - 20h], eax Add函数的传参
//调用Add函数ret Add(a, b);
//调用Add函数时的传参
//其实传参就是把参数push到栈帧空间中这里就是函数传参
00BE1850 mov eax, dword ptr[ebp - 14h] //传递b将ebp-14h处放的5放在eax寄存器中00BE1853 push eax //将eax的值压栈esp-4
00BE1854 mov ecx, dword ptr[ebp - 8] //传递a将ebp-8处放的3放在ecx寄存器中
00BE1857 push ecx //将ecx的值压栈esp-4//跳转调用函数
00BE1858 call 00BE10B4
00BE185D add esp, 8
00BE1860 mov dword ptr[ebp - 20h], eax 函数调用过程
//跳转调用函数
00BE1858 call 00BE10B4
00BE185D add esp,8
00BE1860 mov dword ptr [ebp-20h],eax
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。
int Add(int x, int y)
{00BE1760 push ebp //将main函数栈帧的ebp保存,esp-400BE1761 mov ebp, esp //将main函数的esp赋值给新的ebpebp现在是Add函数的ebp00BE1763 sub esp, 0CCh //给esp-0xCC求出Add函数的esp00BE1769 push ebx //将ebx的值压栈,esp-400BE176A push esi //将esi的值压栈,esp-400BE176B push edi //将edi的值压栈,esp-4int z 0;00BE176C mov dword ptr[ebp - 8], 0 //将0放在ebp-8的地址处其实就是创建zz x y;//接下来计算的是xy结果保存到z中00BE1773 mov eax, dword ptr[ebp 8] //将ebp8地址处的数字存储到eax中00BE1776 add eax, dword ptr[ebp 0Ch] //将ebp12地址处的数字加到eax寄存中00BE1779 mov dword ptr[ebp - 8], eax //将eax的结果保存到ebp-8的地址处其实就是放到z中return z;00BE177C mov eax, dword ptr[ebp - 8] //将ebp-8地址处的值放在eax中其实就是把z的值存储到eax寄存器中这里是想通过eax寄存器带回计算的结果做函数的返回值。}
00BE177F pop edi
00BE1780 pop esi
00BE1781 pop ebx
00BE1782 mov esp, ebp
00BE1784 pop ebp
00BE1785 ret 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。 图片中的 a 和 b 其实就是 Add 函数的形参 x , y 。这里的分析很好的说明了函数的传参过程以及函数在进行值传递调用的时候形参其实是实参的一份拷贝。对形参的修改不会影响实参。
3.3.7 函数栈帧的销毁 当函数调用要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。
00BE177F pop edi //在栈顶弹出一个值存放到edi中esp4
00BE1780 pop esi //在栈顶弹出一个值存放到esi中esp4
00BE1781 pop ebx //在栈顶弹出一个值存放到ebx中esp4
00BE1782 mov esp, ebp //再将Add函数的ebp的值赋值给esp相当于回收了Add函数的栈帧空间00BE1784 pop ebp
//弹出栈顶的值存放到ebp栈顶此时的值恰好就是main函数的ebp
//esp 4此时恢复了main函数的栈帧维护esp指向main函数栈帧的栈顶ebp指向了main函数栈帧的栈底。00BE1785 ret
//ret指令的执行首先是从栈顶弹出一个值此时栈顶的值就是call指令下一条指令的地址
//此时esp 4然后直接跳转到call指令下一条指令的地址处继续往下执行。 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
00BE185D add esp, 8 //esp直接8相当于跳过了main函数中压栈的a和b00BE1860 mov dword ptr[ebp - 20h], eax
//将eax中值存档到ebp-0x20的地址处其实就是存储到main函数中ret变量中
//而此时eax中就是Add函数中计算的x和y的和可以看出来本次函数的返回值是由eax寄存器带回来的。
//程序是在函数调用返回之后在eax中去读取返回值的。
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。 4. 问题解答
局部变量是如何创建的 首先为局部变量所在的函数分配一块内存空间并初始化一部分空间的值为0xcccccccc(此处是VS2019编译器初始的值不同的编译器可能有所不同)再为局部变量分配空间。 为什么局部变量不初始化内容是随机的 在开辟好栈帧空间后会将部分空间的值初始化为0xcccccccc而为局部变量开辟的空间就是这些已经初始化的空间不初始化局部变量的值那么默认就是随机值(VS2019中是0xcccccccc)。 函数调用时参数时如何传递的传参的顺序是怎样的 在调用函数前先将函数参数从后向前依次压栈而进入函数后通过指针的偏移量找到形参。 函数的形参和实参分别是怎样实例化的 形参的实例化形式参数是指函数名后括号中的变量因为形式参数只有在函数被调用的过程中才实例化分配内存单元所以叫形式参数。形式参数当函数调用完成之后就自动销毁了。 实参的实例化实参是函数调用时传递给函数的值它们可以是常量、变量或表达式。 函数的返回值是如何带会的 函数调用结束会通过下一条指令的地址返回这也就是为什么要压栈下一条指令的地址。在返回前会将计算好的值放在eax寄存器中。 总结 本篇博客就结束啦谢谢大家的观看如果公主少年们有好的建议可以留言喔谢谢大家啦
