函数的调用过程,栈帧的创建和销毁

本文通过一个简单的加法函数实例,详细介绍了函数调用过程中栈帧的创建与使用,包括栈帧中的关键元素及如何通过汇编代码观察整个过程。

为了更好的认识函数的调用过程,我以最简单的的加法函数Add为例解释了函数的栈帧;

首先我们应该理解以下内容:

堆区(stack):由编译器自动分配和释放,存放函数的参数值,局部变量的值等。操作方式类似于数据结构中栈;

栈区(heap):一般由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时可能由操作系统回收。与数据结构中的堆是两码事,分配方式类似于链表;

全局区(static):全局变量和静态变量存放在此;

文字常量区:常量字符串放在此,程序结束后由系统释放;

程序代码区(code):存放函数体的二进制代码;

在函数的调用过程中,函数的调用过程叫栈帧,那么栈区在哪???看下图:

一·基本的概念

1)栈帧(过程活动记录):是编码器用来实现函数调用的一种数据结构,每个栈帧对应一个未运行完的函数,栈帧中保存了该函数的返回地址和局部变量。

2)ebp:栈底指针,即指向栈帧底部的指针。

3)esp:栈顶指针,栈帧指针只有一对。

4)call:将当前正在执行指令的下一条指令压入栈中;随即call会跳转到指定函数(jmp)。

5)push:入栈(push寄存器,用来保护数据)压入操作,把一个32位的操作数压入栈中,这个操作数会使得esp被减4(字节),esp通常是指向栈顶的,这里的顶部是指地址小的区域,那么,压入栈帧的数据越多,esp也就越来越小。

6)pop:出栈。

7)mov:类似于赋值操作符,进行数据的传送。第一个参数是目的操作数,第二个参数是源操作数,就是把源操作数拷贝到目的的一份。

8)add:加法操作。

9)sub:减法操作。

10)ret:弹出pop栈顶;弹出栈顶值的地址,并且将弹出的值写入EIP中。

二·让我们通过下面的代码来一起看看栈帧是如何具体形成并实现相关的功能的  调用Add函数的代码如下:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <Windows.h>

int Add(int x, int y)
{
	int tmp = 0;
	tmp = x + y;
	return tmp;
}

int main()
{
	int a = 2;
	int b = 3;
	int ret = 0;
	ret = Add(a, b);
	printf("%d\n", ret);
	getchar();
	return 0;
}

要详细的研究函数的调用过程,就要通过对应的汇编代码来分析:

1)从main函数的地方开始,要展开main函数的调用就得为main函数创建栈帧,那我们先来看看main函数的栈帧的创建;


2)接下来就是Add函数的调用过程了:


剩下的是函数返回部分:


至此在main中调用fun的整个过程都已经完成。

三·总结:这就是整个过程可能理解的的不够到位,请大家随时提出意见。


### 函数调用过程的工作原理 #### 的概念及其作用 (Stack Frame)是一种数据结构,用于存储函数调用期间所需的信息。每次函数调用时,都会在其对应的创建一个新的[^4]。的主要功能包括保存函数的参数、局部变量以及返回地址等信息。 #### 的组成 一个典型的由以下几个部分构成: 1. **函数参数**:这些是从主调函数传递给被调函数数据。如果参数数量较少且适合寄存器传输,则可能通过通用寄存器(如 ARM 架构中的 r0 至 r3)进行传递[^2]。 2. **返回地址**:这是程序执行完成后跳转回的位置。当函数结束时,控制流会回到此位置继续执行后续代码。 3. **局部变量**:在函数内部声明并仅限于当前函数使用的变量会被分配在此区域。 4. **临时数据区**:供编译器优化使用或者作为中间计算结果暂存的地方。 #### 创建销毁过程 - 当发生函数调用时,首先将必要的上下文信息压入堆形成新的[^4]。这一步骤涉及调整指针(SP),使其指向新分配的空间底部,并依次写入上述提到的各项内容。 - 随着函数体被执行完毕准备退出之前,所有属于该次调用周期内的资源都需要释放掉——即弹出整个从而恢复之前的环境状态[^4]。具体做法通常是重置指针至原来高度,并从堆顶部取出先前记录好的返回指令偏移量以便恢复正常流程走向。 #### 寄存器的角色 除了利用内存构建起完整的框架外,在实际硬件层面还充分利用到了各类专用寄存器辅助完成高效运作机制。例如某些架构规定特定范围内的寄存器用来短期持有即将传送给子程序入口处的关键数值;而另外一些则负责长期保留跨越多个层次嵌套关系下的不变量直至最终结算阶段才允许更改它们原始设定值的情况存在[^1]。 #### 大型对象返回处理方式 对于那些体积超出常规大小限制无法简单依靠单一寄存器承载回去的结果来说,则采取预先安排好一段位于上级层面上方临近边界附近的空白领域充当容器角色的做法来解决这个问题。也就是说,先是在发起请求的一侧预留足够的连续单元格序列长度足以容纳目标实体整体映像副本形式呈现出来之后再把这个定位点附加成为额外的一项输入项一同递交过去让对方知晓确切存放地点进而直接填充进去即可达成目的[^5]。 ```c++ // 示例代码展示如何定义简单的递归阶乘函数 int factorial(int n){ if(n==0 || n==1){ // 基础情况判断 return 1; }else{ int result = n * factorial(n - 1); // 实际递归逻辑实现 return result; } } ```
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