目錄

• 一、前置知識
• • 1.函數(shù)棧幀的概念
  • 2.基本的寄存器
  • 3.基本的匯編指令
• 二、具體過程
• • 1.main函數(shù)的調(diào)用
  • 2.main函數(shù)棧幀的創(chuàng)建
  • 3.main函數(shù)中變量的創(chuàng)建
  • 4.SUB函數(shù)的調(diào)用以及棧幀創(chuàng)建
  • 5.SUB函數(shù)中變量的創(chuàng)建以及運算
  • 6.SUB函數(shù)棧幀的銷毀以及返回值的接收
  • 7.main函數(shù)棧幀的銷毀
• 三、補充說明

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一、前置知識 1.函數(shù)棧幀的概念

函數(shù)在被調(diào)用的時候，操作系統(tǒng)會在內(nèi)存棧區(qū)為這個函數(shù)開辟一塊空間，提供給這個函數(shù)使用，這個棧空間就是該函數(shù)的棧幀。函數(shù)的返回地址、函數(shù)中創(chuàng)建的局部變量、以及一些寄存器信息都會保存在這塊棧空間中。在函數(shù)運行完畢后，函數(shù)棧幀會銷毀，將內(nèi)存空間釋放出來。

2.基本的寄存器

2.1 ebp、esp
esp即extended stack pointer，擴展棧指針寄存器，是指針寄存器的一種，用于存放函數(shù)棧頂指針。
ebp即extended base pointer，擴展基址指針寄存器，也屬于指針寄存器，與esp對應(yīng)，ebp用于存放函數(shù)棧底指針。
函數(shù)的棧幀空間就是由這兩個寄存器來維護的。

2.2 edi、esi
這兩個屬于變址寄存器，用于存放存儲單元在段內(nèi)的偏移量。
edi：源索引寄存器，一般用于在串操作中存放數(shù)據(jù)源的地址
esi：目標(biāo)索引寄存器，一般用于在串操作中存放目標(biāo)地址

2.3 ecx、ebx、eax
這三個屬于通用寄存器，在程序執(zhí)行的過程中，大部分時間都是通過操作這些寄存器來實現(xiàn)指令功能的。
ecx：計數(shù)器，用于存放重復(fù)、循環(huán)等指令的執(zhí)行次數(shù)計數(shù)
ebx：基地址寄存器，在內(nèi)存尋址時存放基地址
eax：累加器，在進行加法運算時使用，也用于存放函數(shù)的返回值

2.4 psw
psw是標(biāo)志寄存器，是存放標(biāo)志信息的寄存器。標(biāo)志信息的作用是為CPU執(zhí)行相關(guān)指令提供行為依據(jù)，或者控制CPU的相關(guān)工作方式。

• 標(biāo)志寄存器與其它寄存器相比有一個明顯的特點，其他寄存器是用整個寄存器來存放某個特定的數(shù)據(jù)，而標(biāo)志寄存器卻是用寄存器中的某一位來記錄特定信息。因此標(biāo)志寄存器的每一位都有不同的專門的含義，記錄不同的特定信息。
• 這篇博客中只涉及了其中一個標(biāo)志位：方向標(biāo)志位（DF），它位于psw的第10位，決定了串操作中寄存器中的地址值是增加還是減少。

3.基本的匯編指令

3.0 操作數(shù)
大部分的匯編指令中，左邊的操作數(shù)都是目標(biāo)操作數(shù)，右邊的操作數(shù)都是源操作數(shù)

3.1 push、pop
push即壓棧，使一個寄存器中的數(shù)據(jù)入棧，然后使棧頂指針的值相應(yīng)減小
pop即彈出、出棧，將棧頂?shù)臄?shù)據(jù)存到一個寄存器中，然后使棧頂指針的值相應(yīng)增加，相當(dāng)于從棧里面彈出了一個數(shù)據(jù)

push ebp  //將ebp中的值入棧
pop  edi  //將棧頂元素出棧，并儲存到寄存器edi中

3.2 mov
將源地址中的一個值賦到一個目標(biāo)地址中，源地址中的值不受影響

mov ebp,esp  //將esp中存的值賦給ebp，即esp中的值不變，ebp中的值變?yōu)閑sp中的值

3.3 sub、add
sub即減法，將一個數(shù)據(jù)減小一定的值
add即加法，將一個數(shù)據(jù)增加一定的值

sub esp,0E4h  //將esp中存的值減小0E4h
add esp,0E4h  //將esp中存的值增加0E4h

3.4 lea
lea即load effective address，加載有效地址，將一個地址加載到一個寄存器中

lea edi,[ebp-04Eh]  //將[ebp-04Eh]這個地址加載到寄存器edi中

3.5 rep
rep即repeat，重復(fù)，這是一個前綴指令，指令的作用是重復(fù)執(zhí)行后面的指令
rep指令每次執(zhí)行的時候都從寄存器ecx里面讀取值，當(dāng)ecx中的值大于0，就執(zhí)行后面語句，執(zhí)行完以后，會讓ecx - 1，然后再執(zhí)行rep后面的指令，直到減小到0，因此每次rep執(zhí)行之前，一般都會先將重復(fù)次數(shù)存到ecx中，執(zhí)行完后ecx中的值都會變?yōu)?

rep add esp,1  //將后面的add語句重復(fù)執(zhí)行，重復(fù)次數(shù)由寄存器ecx中的值決定

3.6 stos
stos即store string，串儲存，將寄存器eax中存的值賦值到目標(biāo)地址（這個地址一般都是es:[edi]）

stos dword ptr es:[edi]  //將寄存器eax中一個雙字長度的數(shù)據(jù)賦值到es:[edi]這個地址

賦值之后還會執(zhí)行一次使edi中存的值加4或減4，具體是執(zhí)行加還是減由標(biāo)志寄存器中的方向標(biāo)志位DF來決定，DF為0時執(zhí)行加，DF為1時執(zhí)行減，可以使用cld指令和std指令來對DF進行設(shè)置
cld指令：將標(biāo)志寄存器的DF位設(shè)置為0
std指令：將標(biāo)志寄存器的DF位設(shè)置為1

3.7 call、jmp
call是子程序調(diào)用指令，使程序跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)地址來執(zhí)行子程序，跳轉(zhuǎn)之前會先將call指令的下一條指令的地址進行壓棧，執(zhí)行完子程序之后會跳轉(zhuǎn)回到call指令的下一條指令的位置，然后再繼續(xù)按順序執(zhí)行指令
jmp是無條件轉(zhuǎn)移指令，使程序直接跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)地址執(zhí)行下一條指令，之后程序按順序執(zhí)行

call @ILT+215(_SUB) (0DF10DCh)  //首先將下一條語句的地址入棧，然后程序發(fā)生跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)位置是0x0df10dc
jmp SUB (0DF1380h)  //使程序跳轉(zhuǎn)到地址0xdf1380處（SUB函數(shù)的第一條指令）

3.8 ret
ret即return，返回，彈出棧頂?shù)脑兀⑹钩绦蛱D(zhuǎn)到棧頂元素儲存的地址對應(yīng)的指令

3.9 xor
xor即exclusive or，異或，將源操作數(shù)與目標(biāo)操作數(shù)進行按位異或，得到的值保存到目標(biāo)操作數(shù)中

xor eax,ebx  //將eax中存的值與ebx中存的值異或，所得結(jié)果存到eax中

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二、具體過程

使用一段簡單的C語言代碼，通過VS2010中的反匯編功能，從匯編代碼的角度觀察這段代碼中的函數(shù)在內(nèi)存中是怎么調(diào)用、怎么實現(xiàn)功能的。

//非常簡單的一段C語言代碼，用作觀察對象
#includeint SUB(int x, int y)
{int z = 0;
	z = x - y;
	return z;
}

int main()
{int a = 1;
	int b = 3;
	int c = 0;
	c = SUB(a, b);
	return 0;
}

在VS2010中對這段代碼進行調(diào)試，按F10進入調(diào)試模式后，可以看見反匯編、調(diào)用堆棧、監(jiān)視、內(nèi)存這幾個窗口。

接下來通過這幾個窗口來觀察這段代碼在內(nèi)存中是怎么執(zhí)行的。

1.main函數(shù)的調(diào)用

首先，在調(diào)用堆棧窗口可以看到函數(shù)的調(diào)用情況。容易發(fā)現(xiàn)main函數(shù)是被__tmainCRTstartup函數(shù)調(diào)用的，而__tmainCRTstartup函數(shù)又是被mainCRTstartup函數(shù)調(diào)用的。其中mainCRTstartup函數(shù)是啟動函數(shù)，與C語言程序的啟動有關(guān)，功能大致是在程序啟動之前做一些準(zhǔn)備工作。

這說明在調(diào)用main函數(shù)之前，內(nèi)存中已經(jīng)為之前的__tmainCRTstartup函數(shù)開辟了棧幀空間，因此在程序剛開始運行的時候，ebp和esp寄存器正在維護的是__tmainCRTstartup函數(shù)的棧幀，此時內(nèi)存棧區(qū)中的情況是這樣的：

寄存器中存的地址可以在監(jiān)視窗口和內(nèi)存窗口看到

此時程序還沒開始執(zhí)行第一條語句，處于準(zhǔn)備進入main函數(shù)的狀態(tài)。

黃色箭頭指向的是當(dāng)前要執(zhí)行的語句2.main函數(shù)棧幀的創(chuàng)建

在執(zhí)行第一條語句之前，先在內(nèi)存中為main函數(shù)開辟一塊空間，即創(chuàng)建棧幀。這部分對應(yīng)的匯編代碼如下：

int main()
{00DF13D0  push        ebp                   //將ebp的值入棧，此時棧頂指針esp的值減小，因為棧中壓入了新元素
00DF13D1  mov         ebp,esp               //將esp的值賦給ebp，即令ebp指向esp指向的地址
00DF13D3  sub         esp,0E4h              //將esp的值減小0E4h
00DF13D9  push        ebx                   //ebx入棧
00DF13DA  push        esi                   //esi入棧
00DF13DB  push        edi                   //edi入棧
  
00DF13DC  lea         edi,[ebp-0E4h]        //將ebp-0E4h這個地址賦給edi（作為開始地址）
00DF13E2  mov         ecx,39h               //將39h賦給ecx（作為重復(fù)次數(shù)）
00DF13E7  mov         eax,0CCCCCCCCh        //將0CCCCCCCCh賦給eax（用作賦值內(nèi)容）
00DF13EC  rep stos    dword ptr es:[edi]    //重復(fù)賦值，dword表示雙字（作為每次賦值的長度），es:[edi]為賦值的目標(biāo)地址
//上面四個語句合起來的效果是：
//從es:[edi]這個地址開始，向高地址方向重復(fù)賦值，每次賦值的長度為雙字（四個字節(jié)）
//每次賦值后edi中的地址的值會增加4，從而實現(xiàn)向高地址方向重復(fù)多次賦值
//賦值的內(nèi)容為eax中的值，重復(fù)次數(shù)為ecx中的值（39h次）  
	int a = 1;
	......

這段過程中，內(nèi)存中的情況是這樣的：

main函數(shù)棧幀創(chuàng)建的過程3.main函數(shù)中變量的創(chuàng)建

接下來在主函數(shù)中創(chuàng)建并初始化變量。這部分對應(yīng)的匯編代碼如下：

......
	int a = 1;
00DF13EE  mov         dword ptr [ebp-8],1    //將1這個值存到ebp-8這個地址中
	int b = 3;
00DF13F5  mov         dword ptr [ebp-14h],3  //將3這個值存到ebp-14h這個地址中
	int c = 0;
00DF13FC  mov         dword ptr [ebp-20h],0  //將0這個值存到ebp-20h這個地址中
	c = SUB(a, b);
	......

由此可見這幾個int變量的存放位置恰好是從ebp-8開始，每隔8個字節(jié)存放一個數(shù)據(jù)。變量的數(shù)據(jù)在棧幀存放的位置是由編譯器決定的，不同的編譯器下存放的位置可能不同。
這段過程中，內(nèi)存中的情況是這樣的：

main函數(shù)中變量創(chuàng)建的過程4.SUB函數(shù)的調(diào)用以及棧幀創(chuàng)建

接下來調(diào)用SUB函數(shù)，首先進行的是函數(shù)傳參以及程序的跳轉(zhuǎn)。這部分對應(yīng)的匯編代碼如下：

......
	c = SUB(a, b);
//下面四條指令完成的是函數(shù)傳參
00DF1403  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]   //將雙字指針ebp-14h中的值(即b的值)存入寄存器eax中
00DF1406  push        eax                       //eax入棧
00DF1407  mov         ecx,dword ptr [ebp-8]     //將ebp-8中的值(即a的值)存入寄存器ecx中
00DF140A  push        ecx                       //ecx入棧

//call指令調(diào)用SUB函數(shù)
00DF140B  call        @ILT+215(_SUB) (0DF10DCh) //子程序調(diào)用指令
//首先將下一條語句的地址(0x00df1410)入棧，然后程序發(fā)生跳轉(zhuǎn)，跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)位置是0x0df10dc，對應(yīng)一條使程序跳轉(zhuǎn)到SUB函數(shù)的jmp語句
//執(zhí)行完SUB函數(shù)之后，程序會再跳轉(zhuǎn)回到此處，執(zhí)行下一條語句
00DF1410  add         esp,8  
00DF1413  mov         dword ptr [c],eax  
	return 0;
	......
	......
@ILT+215(_SUB):
00DF10DC  jmp         SUB (0DF1380h)             //無條件轉(zhuǎn)移指令
//前面的call指令會使程序跳轉(zhuǎn)到這條指令，而這條指令會使程序跳轉(zhuǎn)到SUB函數(shù)
//地址0x0df1380h對應(yīng)的就是SUB函數(shù)中第一條指令的地址
	......

由此可見：
（1）SUB函數(shù)的形參在函數(shù)棧幀創(chuàng)建之前就已經(jīng)創(chuàng)建好了，而且形參是實參的一份臨時拷貝，對形參的修改不影響實參。
（2）call函數(shù)在調(diào)用子程序之前會先將其下一條指令的地址入棧，用于在結(jié)束調(diào)用之后使程序返回到原來的位置繼續(xù)執(zhí)行指令。
這段過程中，內(nèi)存中的情況是這樣的：

函數(shù)傳參以及call指令將下一條指令的地址入棧的過程

jmp指令完成跳轉(zhuǎn)之后，就開始創(chuàng)建SUB函數(shù)的棧幀。這部分對應(yīng)的匯編代碼如下：

......
int SUB(int x, int y)
{00DF1380  push        ebp                 //ebp入棧
00DF1381  mov         ebp,esp             //將esp中存的值賦給ebp
00DF1383  sub         esp,0CCh            //將esp的值減小0CCh
00DF1389  push        ebx                 //ebx入棧
00DF138A  push        esi                 //esi入棧
00DF138B  push        edi                 //edi入棧

00DF138C  lea         edi,[ebp-0CCh]      //將ebp-0CCh這個地址賦給edi（作為開始地址）
00DF1392  mov         ecx,33h             //將33h賦給ecx（作為重復(fù)次數(shù)）
00DF1397  mov         eax,0CCCCCCCCh      //將0CCCCCCCCh賦給eax（用作賦值內(nèi)容）
00DF139C  rep stos    dword ptr es:[edi]  //重復(fù)賦值，dword表示雙字（作為每次賦值的長度），es:[edi]為賦值的目標(biāo)地址
//上面四個語句合起來的效果是：
//從es:[edi]這個地址開始，向高地址方向重復(fù)多次賦值，每次賦值的長度為雙字（四個字節(jié)）
//每次賦值后edi中的地址的值會增加4，從而實現(xiàn)向高地址方向重復(fù)多次賦值
//賦值的內(nèi)容為eax中的值，重復(fù)次數(shù)為ecx中的值（33h次）  
	int z = 0;
	......

這段過程中，內(nèi)存中的情況是這樣的：

SUB函數(shù)棧幀的創(chuàng)建過程

可以觀察到，SUB函數(shù)棧幀的創(chuàng)建過程與前面main函數(shù)棧幀的創(chuàng)建幾乎是完全一樣的。

5.SUB函數(shù)中變量的創(chuàng)建以及運算

接下來在SUB函數(shù)中創(chuàng)建變量，并與傳過來的形參進行運算，然后把返回值返回到主函數(shù)。這部分對應(yīng)的匯編代碼如下：

......
	int z = 0;
00DF139E  mov         dword ptr [ebp-8],0     //將0這個值存到ebp-8這個地址中
	z = x - y;
00DF13A5  mov         eax,dword ptr [ebp+8]   //將ebp+8這個地址中存的值存到寄存器eax中
											  //ebp+8這個地址是0x00d3fd38，存的是形參x的值
00DF13A8  sub         eax,dword ptr [ebp+0Ch] //將eax中存的數(shù)據(jù)減小一定值，減小的值為ebp+0Ch中存的值
											  //ebp+0Ch這個地址是0x00d3fd3c，存的是形參y的值
00DF13AB  mov         dword ptr [ebp-8],eax   //將eax中存的值存到ebp-8這個地址中（即存到變量z中）
	return z;
00DF13AE  mov         eax,dword ptr [ebp-8]   //將ebp-8中存的值存到寄存器eax中（相當(dāng)于將變量z中的值返回）
//局部變量z會隨著SUB函數(shù)運行結(jié)束而銷毀，將z的值存到寄存器eax中就可以保存下來，并返回到主函數(shù)中
}
	......

這段過程中，內(nèi)存中的情況是這樣的：

SUB函數(shù)中創(chuàng)建變量并與形參進行運算，最終將返回值存到寄存器eax的過程

可以觀察到，SUB函數(shù)的返回值儲存在了寄存器eax中，如果主函數(shù)中需要接收返回值，就可以從eax中取出。

6.SUB函數(shù)棧幀的銷毀以及返回值的接收

接下來進行SUB函數(shù)棧幀的銷毀以及返回值的接收。這部分對應(yīng)的匯編代碼如下：

......
	return z;
}
00DF13B1  pop         edi      //將棧頂元素出棧，并存到寄存器edi中，同時棧頂指針的值相應(yīng)增加
00DF13B2  pop         esi      //將棧頂元素出棧，并存到寄存器esi中
00DF13B3  pop         ebx      //將棧頂元素出棧，并存到寄存器ebx中
00DF13B4  mov         esp,ebp  //將ebp的值賦給esp，即令esp指向ebp指向的地址，
00DF13B6  pop         ebp      //將棧頂元素出棧，并存到寄存器ebp中，即令ebp指向main函數(shù)的棧底
00DF13B7  ret                  //返回，彈出棧頂?shù)脑兀⑹钩绦蛱D(zhuǎn)到棧頂元素儲存的地址對應(yīng)的指令
//此時的棧頂元素是0x00df1410，正好是call指令的下一條指令的地址，因此程序返回到call指令的下一條指令
	......
00DF140B  call        00DF10DC                 //子程序調(diào)用指令
//執(zhí)行ret后，程序返回到此處，往下接著執(zhí)行指令
00DF1410  add         esp,8                    //將esp中存的值增加8（相當(dāng)于銷毀了形參x和y）
00DF1413  mov         dword ptr [ebp-20h],eax  //將eax中存的值存放到ebp-20h這個地址中（相當(dāng)于變量c接收了返回值）
	return 0;

這段過程中，內(nèi)存中的情況是這樣的：

SUB函數(shù)棧幀銷毀以及變量c接收返回值的過程

由此可見，形參x和y的銷毀是在SUB函數(shù)棧幀銷毀之后進行的，變量c是通過寄存器eax來接收SUB函數(shù)的返回值的。

7.main函數(shù)棧幀的銷毀

接下來進行main函數(shù)棧幀的銷毀。這部分對應(yīng)的匯編代碼如下：

......
	return 0;
00DF1416  xor         eax,eax  //將eax中存的值與eax中存的值異或，所得結(jié)果存到eax中（相當(dāng)于把eax存的值置為0）
}
00DF1418  pop         edi      //棧頂元素出棧到edi中
00DF1419  pop         esi      //棧頂元素出棧到esi中
00DF141A  pop         ebx      //棧頂元素出棧到ebx中
00DF141B  add         esp,0E4h //將esp中存的值增加0E4h（相當(dāng)于銷毀了main函數(shù)的棧幀）
	......

這段過程中，內(nèi)存中的情況是這樣的：

main函數(shù)棧幀銷毀的過程

可以觀察到，main函數(shù)棧幀的銷毀過程與SUB函數(shù)略有不同，但基本是一致的，都是通過將棧頂指針向高地址移動來實現(xiàn)的。

至此，雖然整個程序還沒有徹底運行結(jié)束，但是main函數(shù)和SUB函數(shù)的棧幀的創(chuàng)建和銷毀都已經(jīng)完成。

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三、補充說明

這篇博客的主要目標(biāo)是觀察函數(shù)棧幀的創(chuàng)建銷毀過程并記錄，通過觀察匯編代碼對內(nèi)存的操作，可以加深對內(nèi)存管理的理解，還可以清楚地感受到程序員前輩們設(shè)計邏輯的嚴密。

如果文章中有任何問題，歡迎來糾正我。這是我第一次寫博客，以后一定會更加細心。

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新聞標(biāo)題：C語言學(xué)習(xí)筆記-從匯編代碼的角度觀察函數(shù)棧幀的創(chuàng)建和銷毀-創(chuàng)新互聯(lián)
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