C/C++子函数参数传递，堆栈帧、堆栈参数详解

本文转载自C/C++子函数参数传递，堆栈帧、堆栈参数详解

导语

因为参数传递和汇编语言有很大联系，之后会出现较多x86汇编代码。

该文会先讲一下x86的堆栈参数传递过程，然后再分析C/C++子函数是怎样通过堆栈传递参数的。
注：汇编语言的过程和C/C++的子函数是一回事。

寄存器参数，存储器参数和堆栈参数都可以用于x86汇编乃至其他汇编语言传递参数的方式。但C/C++在编译时，编译器会对子函数使用堆栈参数传递方式。

三种参数传递方式对比：

寄存器参数

    ...
    mov eal,4
    call Proc_using_eal
    ...

存储器参数

.data
    temp DB ?
.code
    ...
    mov temp,4
    call Proc_using_temp
    ...

堆栈参数

    ...
    push 4
    call Proc_using_stack
    ...

x86堆栈参数传递过程

考虑一个过程add_num，该过程有两个输入参数，一个输出参数。其功能是将两个输入参数求和并将其结果输出。下面这个例子中使用堆栈将3, 4两个参数输入到add_num中。

    push 3
    push 4
    call add_num

执行call指令前，堆栈如下：

其中ESP为x86CPU使用的堆栈指针，每进行一次入栈操作，ESP要减4（32位CPU）（图上堆栈向上地址减小，向下地址增加）
明显的是，add_num只需要把堆栈中相应的变量取出来使用就可以了。堆栈参数传递的确也是这么做，但是却要稍稍费事一点。

首先给出add_num过程的程序

add_num proc
    push ebp
    mov ebp,esp
    mov eax,[ebp+8]
    add eax,[ebp+12]
    pop ebp
    ret
add_num endp

之前笔者给出的堆栈是CPU执行call指令前的结果，接下来从开始执行call指令一步一步分析堆栈的变化情况。

call add_num

执行call add_num时，ESP减4后将add_num过程的返回地址压入堆栈，即当前指令指针EIP的值（该值为主程序中call指令的下一条指令（不是push ebp）的地址）

push ebp

mov ebp,esp
mov eax,[ebp+8]
add eax,[ebp+12]

此时已经进入add_num过程内部。

这一步是为了将esp的值赋予ebp。而将ebp压入堆栈是为了保护ebp，在add_num过程结束后还要恢复ebp的值。

此时esp指向堆栈中的ebp，而将esp赋予ebp后，ebp便指向了堆栈中自己被保护的值。此时ebp的主要作用是为参数读取提供绝对地址。比如参数4比ebp所在地址高8Byte（堆栈一个单元是4Byte），则过程中要使用参数4时，使用基址-偏移量寻址即可，即[ebp+8]。

当然这里也可以使用esp达到相同的效果，但是这个例子没有局部变量。若子过程中有局部变量（局部变量也存放在堆栈里），采用ebp要方便很多。

pop ebp

此时ebp弹出，ebp恢复调用前的值

ret

最后弹出返回地址，程序返回到主程序中，并执行下一条指令

以上为整个堆栈参数传递过程。

需要注意的点：

堆栈帧到底是什么？

堆栈帧（stack frame）（或活动记录（activation record））是一块堆栈保留区域，用于存放被传递的实际参数、子程序的返回值、局部变量以及被保存的寄存器。

实际上堆栈帧就相当于子函数的缓存，当子函数使用的堆栈个数最大时，其所拥有的所有部分构成了这个函数的堆栈帧。

以add_num过程为例，其堆栈帧如下图灰色部分所示。

堆栈帧为什么叫做堆栈帧

“堆栈”很好理解，而“帧”的概念在上面那个例子中的确很难搞通。不久后笔者会分析递归函数中的堆栈帧增消的现象，那个时候“帧”这个概念体现得淋漓尽致。

输入参数3和4留在堆栈里没有释放是可以的吗

上面的例子并没有释放参数4和3，只是为了演示，实际上一定会有相应的代码去释放它。子函数的堆栈帧是包含其输入堆栈变量的，当退出子函数时，其所有的堆栈帧必须被完全释放，否则堆栈就会变得混乱。

释放参数涉及两种子函数调用标准，一种是STDCALL标准，一种是C标准。两种在参数的堆栈传递细节几乎完全相同，不同的是释放参数的方式。

根据两个标准重新改写add_num过程：

STDCALL调用规范

add_num proc
    push ebp
    mov ebp,esp
    mov eax,[ebp+8]
    add eax,[ebp+12]
    pop ebp
    ret 8
add_num endp

C调用规范

 ...
    push 3
    push 4
    call add_num
    add esp,8

两种方式的核心思想就是修改esp，使esp指向堆栈参数3和4所在位置的前一个堆栈。但是STDCALL调用规范是在过程内部修改esp（ret 8为将堆栈中返回地址弹出到EIP后，再将ESP加8）；C调用规范是在子过程外部，在主调过程修改esp。

另引用这两种方式的优缺点：

STDCALL不仅减少了子程序调用产生的代码量（减少了一条指令），还保证了调用程序永远不会忘记清除堆栈。另一方面，C调用规范允许子程序声明不同数量的参数，主调程序可以决定传递多少个参数。C语言的printf函数就是一个例子

C语言参数传递分析

我们仍考虑一个子函数有两个输入参数，一个输出参数，实现两个参数相加并输出。

程序如下：

int add_num(int x, int y)
{
    return(x+y);
}

int main()
{
    int sum;
    sum = add_num(3,4);
    return(0);
}

编译后输出的汇编代码如下：

; Listing generated by Microsoft (R) Optimizing Compiler Version 18.00.21005.1 

    TITLE   D:MyDocuments《汇编语言-基于x86处理器》资料Compile_testCompile_testCompile_testmain.c
    .686P
    .XMM
    include listing.inc
    .model  flat

INCLUDELIB MSVCRTD
INCLUDELIB OLDNAMES

PUBLIC  _add_num
PUBLIC  _main
EXTRN   __RTC_CheckEsp:PROC
EXTRN   __RTC_InitBase:PROC
EXTRN   __RTC_Shutdown:PROC
;   COMDAT rtc$TMZ
rtc$TMZ    SEGMENT
__RTC_Shutdown.rtc$TMZ DD FLAT:__RTC_Shutdown
rtc$TMZ    ENDS
;   COMDAT rtc$IMZ
rtc$IMZ    SEGMENT
__RTC_InitBase.rtc$IMZ DD FLAT:__RTC_InitBase
rtc$IMZ    ENDS
; Function compile flags: /Odtp /RTCsu /ZI
; File d:mydocuments《汇编语言-基于x86处理器》资料compile_testcompile_testcompile_testmain.c
;   COMDAT _main
_TEXT   SEGMENT
_sum$ = -8                     ; size = 4
_main   PROC                        ; COMDAT

; 7    : {

    push    ebp
    mov ebp, esp
    sub esp, 204                ; 000000ccH
    push    ebx
    push    esi
    push    edi
    lea edi, DWORD PTR [ebp-204]
    mov ecx, 51                 ; 00000033H
    mov eax, -858993460             ; ccccccccH
    rep stosd

; 8    :    int sum;
; 9    :    sum = add_num(3, 4);

    push    4
    push    3
    call    _add_num
    add esp, 8
    mov DWORD PTR _sum$[ebp], eax

; 10   :    return(0);

    xor eax, eax

; 11   : }

    pop edi
    pop esi
    pop ebx
    add esp, 204                ; 000000ccH
    cmp ebp, esp
    call    __RTC_CheckEsp
    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret 0
_main   ENDP
_TEXT   ENDS
; Function compile flags: /Odtp /RTCsu /ZI
; File d:mydocuments《汇编语言-基于x86处理器》资料compile_testcompile_testcompile_testmain.c
;   COMDAT _add_num
_TEXT   SEGMENT
_x$ = 8                            ; size = 4
_y$ = 12                       ; size = 4
_add_num PROC                       ; COMDAT

; 2    : {

    push    ebp
    mov ebp, esp
    sub esp, 192                ; 000000c0H
    push    ebx
    push    esi
    push    edi
    lea edi, DWORD PTR [ebp-192]
    mov ecx, 48                 ; 00000030H
    mov eax, -858993460             ; ccccccccH
    rep stosd

; 3    :    return(x + y);

    mov eax, DWORD PTR _x$[ebp]
    add eax, DWORD PTR _y$[ebp]

; 4    : }

    pop edi
    pop esi
    pop ebx
    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret 0
_add_num ENDP
_TEXT   ENDS
END

首先看call _add_num指令

; 8    :    int sum;
; 9    :    sum = add_num(3, 4);

    push    4
    push    3
    call    _add_num
    add esp, 8

很明显使用了C调用规范，在调用完成后从堆栈中删除堆栈参数。
再看add_num子程序对应的汇编代码：

_add_num PROC                       ; COMDAT

; 2    : {

    push    ebp
    mov ebp, esp
    sub esp, 192                ; 000000c0H
    push    ebx
    push    esi
    push    edi
    lea edi, DWORD PTR [ebp-192]
    mov ecx, 48                 ; 00000030H
    mov eax, -858993460             ; ccccccccH
    rep stosd

; 3    :    return(x + y);

    mov eax, DWORD PTR _x$[ebp]
    add eax, DWORD PTR _y$[ebp]

; 4    : }

    pop edi
    pop esi
    pop ebx
    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret 0
_add_num ENDP

其中有两个地方之前没有介绍，
一是：

    push    ebx
    push    esi
    push    edi
    ...
    pop edi
    pop esi
    pop ebx

这部分代码是为了保护寄存器

二是：

    sub esp, 192                ; 000000c0H
    push    ebx
    push    esi
    push    edi
    lea edi, DWORD PTR [ebp-192]
    mov ecx, 48                 ; 00000030H
    mov eax, -858993460             ; ccccccccH
    rep stosd

除去push命令，剩下的部分是为了初始化堆栈，将栈顶后192Byte的空间写入ccccccccH（个人认为这一步可以不需要，只是用来增加程序稳定性的）

将这两部分删掉后，即可得到：

_add_num PROC                       ; COMDAT

; 2    : {

    push    ebp
    mov ebp, esp

; 3    :    return(x + y);

    mov eax, DWORD PTR _x$[ebp]
    add eax, DWORD PTR _y$[ebp]

; 4    : }

    mov esp, ebp
    pop ebp
    ret 0
_add_num ENDP

和之前的add_num的x86汇编子过程作比较：

add_num proc
    push ebp
    mov ebp,esp
    mov eax,[ebp+8]
    add eax,[ebp+12]
    pop ebp
    ret
add_num endp

两者基本一致。但是编译器给出结果多出一个mov esp,ebp。这句命令在这里有没有都没有关系，因为这个函数没有局部变量。但是如果有局部变量的话，是一定要加上的。可以自己写一个带有局部变量的函数，自己想一想。下一篇博文会讲述带有局部变量的情况。