图文解析函数栈帧

原创已于 2025-11-29 14:38:17 修改 · 437 阅读

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#开发语言 #c语言 #c++ #算法

于 2025-09-09 11:37:46 首次发布

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前言：

在C语言程序中，编写函数是我们必不可少的技能，但是我们通常会忽视了函数在内存中的开辟过程，一般地我们通过将一些功能封装到函数中，通过将实参传入，在主函数main.c中调用函数，但是事实上，函数调用的过程十分复杂，若是要追根究底的话，需要有一定的汇编知识，这篇文章我们略过汇编代码，通过用图文的知识去理解函数栈帧。

一、函数栈帧是什么？

在程序运行过程中，函数栈帧（Function Stack Frame）是栈内存中为单个函数调用分配的一块独立内存区域。

主要作用如下：



①用于管理函数的参数、局部变量、返回地址、寄存器状态等信息



②它是函数调用和返回的基础，确保了函数之间的独立执行和数据隔离。

关于内存的分布如下图所示：

二、前言知识的准备

栈是一种 “简单却强大” 的数据结构。

        简单来说，栈相当于一支乒乓球桶，我们放入乒乓球通过桶口放入，我们拿出乒乓球通过桶口拿出，底下的乒乓球先被放进去，顶上的乒乓球后被放进去，顶上的乒乓球先被拿出，底下的乒乓球后被拿出，所以说栈是一个先进后出的数据结构。



其中放入乒乓球被称为压栈(push)



其中拿出乒乓球被称为出栈(pop)

1.压栈

2.出栈

3.维护栈的指针（两个寄存器）

①EBP(栈底指针)：固定指向当前栈帧的 “基地址”，用于定位栈帧内的参数、变量（偏移量固定）。

②ESP(栈顶指针)：始终指向栈的 “顶部”，随压栈（push）/ 弹栈（pop）动态移动。

4.CPU 的`EAX`寄存器

主要作用就是传递函数返回值

三、案例代码详解函数栈帧

代码示例：主函数中调用add函数，实现x+y

#include <stdio.h>

// 被调用函数：计算x+y
int add(int x, int y) 
{
    int z;          // 局部变量
    z = x + y;      // 计算逻辑
    return z;       // 返回结果
}

// 调用者函数
int main() 
{
    int a = 2, b = 3;  // main的局部变量
    int c = add(a, b); // 调用add，接收返回值
    printf("c=%d", c);
    return 0;
}

阶段 1：初始状态

如下图所示：

main 函数执行中，未调用 add 前，变量a先压入栈中，变量b后压入栈中，此时esp栈顶指针指向下一个即将压入栈中元素的位置，ebp维护的是main函数栈帧中的基底位置。

阶段2：调用 add 前

main 准备参数，压栈，C 语言函数参数默认从右向左压栈（先压最右边的参数y，再压左边的x），然后压入 “返回地址”（add 执行完后，main 要回到的代码位置）。

步骤 2.1：压入 add 的第二个参数

如下图所示：

执行 push 3（将b的值压栈）
ESP 向下移动 4 字节（int 占 4 字节），指向新栈顶

步骤 2.2：压入 add 的第一个参数

如下图所示：

执行 push 2（将a的值压栈）
ESP 再向下移动 4 字节

步骤 2.3：压入 “返回地址”

如下图所示：

当 add 执行完后，需要回到 main 的int c = add(a,b);下一条指令（即printf("c=%d", c);的地址，记为0x00401234）；
执行 push 0x00401234（压入返回地址）；
ESP 再向下移动 4 字节。

阶段3：进入 add 函数

创建 add 的栈帧，此时 CPU 跳转到 add 函数的代码，开始初始化 add 的栈帧 —— 核心是 “保存 main 的 EBP” 和 “设置 add 的 EBP”。

步骤 3.1：保存 main 的 EBP

如图所示：

为了 add 执行完后能恢复 main 的栈帧，需要先把 main 的 EBP压栈；
执行 push ebp；
ESP 向下移动 4 字节。

步骤 3.2：设置 add 的 EBP

如图所示：

将当前 ESP 的值赋给 EBP，此时 EBP 成为 add 栈帧的 “基地址”；
此时 EBP 固定指向 add 栈帧的 “基地址”，后续 add 访问参数 / 变量都通过 EBP 的偏移量（如EBP+8是 x，EBP+12是 y）

步骤 3.3：分配 add 的局部变量空间

此时esp向低地址处一定的字节大小，同时add开辟一定的空间
add 有局部变量int z，需要在栈中至少预留 4 字节空间；

阶段4：执行 add 函数逻辑

如图所示：计算 z = x + y

核心逻辑：

取x：访问EBP+8，值为 2；
取y：访问EBP+12，值为 3；
计算2+3=5，将结果存入z的地址

阶段 5：add 函数返回

如图所示：销毁 add 的栈帧，回到 main

步骤 5.1：传递返回值

z=5 存入 EAX，通过将函数中的返回值存入到Cpu中的EAX寄存器中，然后将其带回主函数。

步骤 5.2：释放 add 的局部变量空间

将 ESP 拉回 EBP 的位置，相当于 “回收” 局部变量z的空间。

简单来说，add函数所开辟的空间被操作系统回收，用户不在拥有访问权限，后续会被其他在栈上开辟的空间所覆盖。

步骤 5.3：恢复 main 的 EBP

如图所示：

弹出旧的EBP，相当于让EBP重新回到了main函数基底的位置。

步骤 5.4：弹出返回地址，回到 main 执行

如图所示：

执行 ret：将栈顶（0x1008）的 “返回地址 = 0x00401234” 弹出，CPU 跳转到这个地址；
ESP 向上移动 4 字节，指向（栈顶现在是参数 x=2）

步骤 5.5：清理 add 的参数（main 回收参数空间）

如图所示：

main 调用完 add 后，需要回收之前压入的参数（x=2、y=3）；
执行 add esp, 8（ESP 向上移动 8 字节，因为两个 int 参数共 8 字节）；

阶段 6：main 接收返回值，继续执行

如图所示：

main 从EAX寄存器中取出返回值 5，赋值给局部变量c（int c = 5）；
后续执行printf("c=%d", c)，输出c=5，程序结束。

四、总结：

函数栈帧的核心要点：

创建栈帧：调用者压参数→压返回地址→被调用者压旧 EBP→设新 EBP→分配局部变量。
使用栈帧：通过 EBP 的固定偏移访问参数（EBP+偏移）和局部变量（EBP-偏移）。
销毁栈帧：释放局部变量→恢复旧 EBP→弹出返回地址→清理参数→回到调用者。

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