【C语言】 第三课 函数与栈帧机制详解

1 函数的基本概念

在C语言中，函数是程序的基本执行单元。一个函数的定义包括返回类型、函数名、参数列表和函数体。例如：

int add(int x, int y) { // 函数定义int z = x + y;return z;
}

在使用函数前，通常需要声明（ declaration）其类型，让编译器知道函数的存在和格式：

int add(int, int); // 函数声明

调用（Call）函数时，需要传递参数（Argument）。C语言默认采用传值调用（Pass by Value），即函数内部操作的是实参值的一份临时拷贝（形参），修改形参不会影响原始实参。

2 栈与栈帧的核心概念

2.1 什么是栈 (Stack)

栈是程序运行时内存中的一块特殊区域，遵循 “后进先出” (LIFO, Last In First Out) 的原则。它主要用于支持函数调用。栈的生长方向是从高地址向低地址扩展。

2.2 什么是栈帧 (Stack Frame)

每次函数调用，操作系统都会在栈上为其分配一块独立的连续内存区域，称为栈帧 (Stack Frame) 或活动记录 (Activation Record)。函数执行结束后，其对应的栈帧被销毁。

栈帧的核心作用包括：

  • 存储函数的参数
  • 保存返回地址：函数执行完后需要回到调用者的位置
  • 存储函数的局部变量
  • 保存调用函数的栈帧基址：以便被调函数返回后能恢复调用函数的栈帧
  • 提供临时数据的存储空间：如表达式计算的中间结果

2.3 寄存器的作用

在x86架构下，有两个关键寄存器用于管理栈帧：

  • ESP (Extended Stack Pointer)：栈指针寄存器，始终指向当前栈帧的顶部。
  • EBP (Extended Base Pointer)：基指针寄存器，指向当前函数栈帧的底部。通过EBP，可以稳定地访问栈帧内的参数和局部变量（因为ESP在函数执行过程中会随着push/pop操作而变化）。

3 函数调用过程中栈帧的详细布局与变化

我们以下面的简单代码为例，深入剖析栈帧的创建和销毁过程：

#include <stdio.h>int Add(int x, int y) {int z = 0;z = x + y;return z;
}int main() {int a = 10;int b = 20;int c = 0;c = Add(a, b);printf("%d\n", c);return 0;
}

3.1 main 函数栈帧的创建

在 main 函数被调用之初（其内部代码执行前），会先建立自己的栈帧：

push   ebp        ; 将调用main函数的函数（如invoke_main）的ebp压栈保存
mov    ebp, esp   ; 将当前esp的值赋给ebp，此刻ebp成为main函数栈帧的新基址
sub    esp, 0E4h  ; 为main函数的局部变量、临时数据等预留空间（0E4h字节）

此时栈空间的布局大致如下（地址从高到低增长）：

地址内容说明
………
ebp + 4…
ebp旧的ebp值调用者的栈基址
ebp - 4可能保存的寄存器（如edi）
ebp - 8int a (值为10)main的局部变量
ebp - 14hint b (值为20)main的局部变量
ebp - 20hint c (值为0)main的局部变量
…… (可能包含对齐填充)
esp栈顶

3.2 调用 Add 函数：参数传递与栈帧变化

执行 c = Add(a, b); 时，会发生以下步骤：

  1. 参数从右向左压栈：

    mov    eax, dword ptr [ebp-14h] ; 将变量b的值(20)存入eax
push   eax                       ; 将参数y (b的值) 压栈
mov    ecx, dword ptr [ebp-8]    ; 将变量a的值(10)存入ecx
push   ecx                       ; 将参数x (a的值) 压栈

    此时栈顶附近增加了两个新的值（y 和 x），ESP 随之减小。

  2. 执行 call 指令：

    call   00D110B9          ; 调用Add函数（地址由编译器决定）

    call 指令做了两件事：

    • 将返回地址（即call指令下一条指令的地址，例如00D11917）压入栈。
    • 跳转到 Add 函数的地址开始执行。
      此时，在参数之上又压入了返回地址，ESP 再次更新。

    此时栈的布局变为：

    地址内容说明

| … | … | … |
| ebp + 4 | … | |
| ebp | 旧的ebp值 | 调用者的栈基址 |
| … | … | |
| ebp - 20h | c (0) | |
| … | … | |
| ← ESP指向这里 | 返回地址 | 00D11917 |
| | 参数 x (10) | a的拷贝 |
| | 参数 y (20) | b的拷贝 |

3.3 Add 函数栈帧的创建与执行

进入 Add 函数后，它会立即建立自己的栈帧：

push   ebp        ; 将main函数的ebp压栈保存
mov    ebp, esp   ; 将当前esp设为Add函数栈帧的基址(ebp)
sub    esp, 0CCh  ; 为Add的局部变量等开辟空间

现在栈的布局是：

地址内容说明
………
ebp + 8参数 x (10)通过[ebp+8]访问
ebp + 0Ch参数 y (20)通过[ebp+0Ch]访问
ebp + 4返回地址00D11917
ebpmain的ebp保存的main函数基址
ebp - 4可能保存的寄存器
ebp - 8int z (0)Add的局部变量
……
ESPAdd栈帧顶部

接着执行 Add 函数体：

mov    dword ptr [ebp-8], 0    ; int z = 0;
mov    eax, dword ptr [ebp+8]  ; 将参数x的值(10)存入eax
add    eax, dword ptr [ebp+0Ch] ; 加上参数y的值(20)，结果在eax
mov    dword ptr [ebp-8], eax  ; z = x + y; (结果30存入z)
mov    eax, dword ptr [ebp-8]  ; 将z的值(30)存入eax，作为返回值

返回值通常存放在EAX寄存器中。

3.4 Add 函数栈帧的销毁与返回

函数返回前，需要销毁其栈帧：

mov    esp, ebp   ; 将esp移回ebp处，释放Add函数的所有局部变量空间
pop    ebp        ; 弹出栈顶值到ebp，此时栈顶值正是之前保存的main函数的ebp，从而恢复main函数的栈帧基址
ret               ; 从栈顶弹出返回地址（00D11917）并跳转回去

ret 指令执行后，ESP 会指向之前压入的参数 x 和 y 所在的位置。回到 main 函数后，它会清理栈上的参数：

add    esp, 8     ; 将栈顶指针esp向上移动8字节，清理掉两个4字节的参数
mov    dword ptr [ebp-20h], eax ; 将eax中的返回值(30)存储到变量c中

4 使用GDB调试器观察栈帧

理论结合实践是关键。你可以使用GDB（GNU Debugger）来动态跟踪函数调用过程，直观地观察栈帧、寄存器和内存的变化。

4.1 准备工作

  1. 编译带调试信息的程序：使用 gcc 的 -g 选项编译你的C程序，以便GDB能显示源代码和调试信息。
    gcc -g -o my_program my_program.c
  2. 启动GDB：
    gdb my_program

4.2 基本调试命令与观察点

在GDB中，你可以使用以下命令来观察栈帧（以分析上面的 Add 函数调用为例）：

命令说明
break main 或 b main在 main 函数入口处设置断点
break add 或 b add在 add 函数入口处设置断点
run 或 r开始运行程序，直到遇到第一个断点
nexti 或 ni执行一条汇编指令（Step instruction）
stepi 或 si执行一条汇编指令，如果是call指令则会进入函数（Step into instruction）
info registers显示所有寄存器的当前值（重点关注 eax, ebp, esp, eip）
print $ebp打印ebp寄存器的值
print $esp打印esp寄存器的值
x/20xw $esp以十六进制字（4字节）格式检查栈指针（$esp）附近20个字的内存内容
disassemble 或 disas反汇编当前函数的汇编代码
backtrace 或 bt显示当前的函数调用栈回溯（call stack）
continue 或 c继续运行程序，直到下一个断点或程序结束

4.3 实践观察步骤

  1. 在 main 函数开始和 Add 函数入口处设置断点：(gdb) b main, (gdb) b add
  2. 运行程序：(gdb) run
  3. 程序会在 main 开始处停下。使用 (gdb) disas 查看 main 函数的反汇编代码。
  4. 单步执行（ni）直到 call add 指令之前。
  5. 记录下此时 ESP 和 EBP 的值：(gdb) info registers esp ebp
  6. 查看此时栈的内容（例如，ESP指向的位置）：(gdb) x/10xw $esp
  7. 执行 call 指令（ni）。观察 ESP 的变化（减少了4字节，因为压入了返回地址），并再次查看栈顶内容，应该能看到返回地址。
  8. 现在进入 Add 函数。再次查看反汇编 (gdb) disas。
  9. 单步执行 Add 函数开头的 push ebp、mov ebp, esp、sub esp, ... 等指令。每执行一条，观察 ESP 和 EBP 寄存器值的变化，并结合 x/xw $esp 或 x/xw $ebp 查看栈内存内容。
  10. 重点关注 mov eax, dword ptr [ebp+8] 这样的指令，它正是在通过 EBP + 偏移 来访问参数。你可以用 (gdb) print *(int*)($ebp+8) 来验证是否拿到了参数x的值。
  11. 当执行到 ret 指令前，观察 EAX 寄存器的值，它应该保存着返回值。
  12. 执行 ret 后，注意程序流是否跳回了 main 函数，以及 ESP 如何变化（指向参数所在位置）。
  13. 回到 main 后，执行 add esp, 8，再次观察 ESP 的变化，确认参数被清理。

通过以上步骤，你可以非常直观地看到栈帧的创建、使用和销毁全过程，以及参数和返回值是如何传递的。

5 C代码与汇编代码对比

理解汇编代码是逆向工程的基石。下面是一个简单的对比，展示了C代码和它可能对应的x86汇编代码（使用GCC风格）：

C代码汇编代码 (x86)说明
int a = 10;mov DWORD PTR [ebp-0x4], 0xa将立即数10（0xa）存入[ebp-4]的地址（局部变量a）
int b = 20;mov DWORD PTR [ebp-0x8], 0x14将立即数20（0x14）存入[ebp-8]的地址（局部变量b）
c = add(a, b);mov eax, DWORD PTR [ebp-0x8]``push eax``mov eax, DWORD PTR [ebp-0x4]``push eax``call <add>``add esp, 0x8``mov DWORD PTR [ebp-0xc], eax参数从右向左(b then a)压栈，调用函数，清理栈空间，保存返回值到c
int z = x + y; (在add函数内)mov eax, DWORD PTR [ebp+0x8]``add eax, DWORD PTR [ebp+0xc]``mov DWORD PTR [ebp-0x4], eax通过EBP+偏移访问参数(x在[ebp+8], y在[ebp+12])，结果存入局部变量z([ebp-4])
return z;mov eax, DWORD PTR [ebp-0x4]将返回值放入eax寄存器

这种对比能帮助你建立高级语言与低级机器指令之间的直观联系，是逆向分析中不可或缺的能力。

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