实例分析C程序运行时的内存结构

 

先验知识

1. 静态变量存储在静态存储区，局部变量存储在动态存储区（栈），代码存放在代码区
2. 寄存器，EBP指向栈底，ESP指向栈顶，EIP指向正在执行指令的下一条指令，三个寄存器中保存的都是地址，32位系统，地址为4个字节即dword
3. 所有写在函数定义里面的语句都编译成指令（驱动CPU）

实验代码

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#include <stdio.h> int fun( int a, int b); int m = 10; int main() {      int i = 4;      int j = 5;      m = fun(i, j); } int fun( int a, int b) {      int c = 0;      c = a + b;      return c; }

这段代码包含两个函数，因此可以测试函数调用，此外还包含了静态变量、局部变量、返回值等

实验测试

测试工具：VC6.0

源代码及对应的汇编如下

寄存器及内存状态如下

 

EBP栈顶初始值为0018FF84h，ESP初始为0018FF48h

ESP和EBP在栈中的作用

在每个函数最开始的地方有两条语句

 

1 2	push ebp mov  ebp,esp

在函数返回前也有两条语句

 

1 2	mov esp,ebp pop ebp

每运行一个函数就新开一段栈空间，所谓的开栈空间就是移动ebp栈底，在移动ebp之前，通过push ebp保存上一级函数的栈底，然后用ebp指向现在函数栈的栈顶，即为当前函数开辟了栈；接着给局部变量进行地址分配以及保存现场等，esp不断向低地址移动，当函数调用结束时，esp指回当前函数的栈顶(mov esp,ebp)，然后上一级函数的栈顶地址出栈保存在ebp中（pop ebp）。因此，每一个函数的栈顶上面都保存着上一级函数的栈顶地址，用于当前函数结束时能够返回上一级函数的栈，通过ebp和esp以及压栈出栈操作对栈进行维护。

逐条分析

main函数对应的汇编代码如下

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7:    int main() 8:    { 00401020   push        ebp                        // ebp初始为0018FF84h压栈，压栈后esp = 0018FF48h - 4 = 0018FF44h 00401021   mov         ebp,esp                    // ebp保存栈顶0，ebp=esp=0018FF44h 00401023   sub         esp,48h                    // esp -= 48h开辟了一段栈空间，留待后面保存局部变量，此时esp=0018FF44h-48h=0018FEFCh 00401026   push        ebx                        00401027   push        esi 00401028   push        edi                        // ebx、esi和edi压栈，esp = 0018FEFCh - 4*3 = 0018FEF0h 00401029   lea         edi,[ebp-48h]              // lea指令将ebp-48h作为偏移地址保存在edi中，edi=0018FEFCh，即栈中ebx的上面 0040102C   mov         ecx,12h                    00401031   mov         eax,0CCCCCCCCh 00401036   rep stos    dword ptr [edi]            // 将eax重复保存在以edi开始的栈空间里，重复次数为ecx次，向高地址方向，共覆盖12h*4=48h个地址，即栈中保存ebx的地址以上到ebp指向的地址这一段全部填充为cch 9:        int i = 4; 00401038   mov         dword ptr [ebp-4],4        // 保存变量i 10:       int j = 5; 0040103F   mov         dword ptr [ebp-8],5        // 保存变量j 11:       m = fun(i, j); 00401046   mov         eax,dword ptr [ebp-8]      // 将j保存在eax中 00401049   push        eax                        // eax压栈, esp=0018FEF0h-4=0018FEECh 0040104A   mov         ecx,dword ptr [ebp-4]      // 将i保存在ecx中 0040104D   push        ecx                        // ecx压栈，esp=0018FEECh-4=0018FEE8h 0040104E   call        @ILT+0(_fun) (00401005)    // 以上实际上是为形参分配内存，顺序从右到左，此步进行函数跳转 00401053   add         esp,8                      // 形参的地址回收,esp=0018FEE8h+8=0018FEF0h 00401056   mov         [_m (00424a30)],eax        // 返回值存放在静态变量m中 12:       return 0; 0040105B   xor         eax,eax                    // 返回值置为0 13:   } 0040105D   pop         edi 0040105E   pop         esi 0040105F   pop         ebx 00401060   add         esp,48h 00401063   cmp         ebp,esp 00401065   call        __chkesp (004010d0) 0040106A   mov         esp,ebp 0040106C   pop         ebp 0040106D   ret

fun函数的汇编代码理解

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15:   int fun( int a, int b) 16:   { 00401090   push        ebp 00401091   mov         ebp,esp 00401093   sub         esp,44h 00401096   push        ebx 00401097   push        esi 00401098   push        edi 00401099   lea         edi,[ebp-44h] 0040109C   mov         ecx,11h 004010A1   mov         eax,0CCCCCCCCh 004010A6   rep stos    dword ptr [edi]            // 以上理解同main函数，ebp压栈时保存的地址是0018FF44h，即main函数栈开始开始的地方，然后ebp指向当前函数栈开始的地方 17:       int c = 0; 004010A8   mov         dword ptr [ebp-4],0        // 为c分配地址，并赋值 18:       c = a + b; 004010AF   mov         eax,dword ptr [ebp+8]      // 获得第一个参数 004010B2   add         eax,dword ptr [ebp+0Ch]    // 与第二个参数求和 004010B5   mov         dword ptr [ebp-4],eax      // 结果保存在c中 19:       return c; 004010B8   mov         eax,dword ptr [ebp-4]      // 返回值存放在eax 20:   } 004010BB   pop         edi                        // 现场恢复 004010BC   pop         esi 004010BD   pop         ebx 004010BE   mov         esp,ebp                    // 当前函数栈空间回收，以后可重新分配，esp=0018FEE8h 004010C0   pop         ebp                        // ebp恢复为0018FF44h 004010C1   ret                                    // 返回，等待执行函数调用的下一条指令

调用fun函数时的内存情况

局部变量i和j保存在48h空间的开始位置（高地址），即栈底附近，如下图

在调用fun函数之前，将形参从右至左依次压栈，如下图

call fun函数时执行跳转

 

补充

1. 局部变量并不是以压栈的形式入栈的，而是mov进去的，而且是一次性将地址分配够（如上的48h和44h个字节）然后一个个mov进去，形参是以压栈的形式入栈的
2. 函数返回值是通过寄存器返回的，估计当返回值超出寄存器的表示能力时会通过栈返回（未测试）
3. 函数调用时，专门有个地方保存着函数的入口地址，到那里进行跳转执行

参考

实验代码来自国科大杨力祥老师的开源编译器源码分析课程