C语言中函数栈帧的创建和销毁的深层分析

什么是函数栈帧

在C语言中，每当一个函数被调用时，系统会在当前线程的栈上为该函数创建一个栈帧(Stack Frame)，用于保存该函数调用时的现场信息(如首地址、传递参数、局部变量等信息)。函数栈帧的创建和销毁是函数调用的必要过程，也是C语言程序的基本运行机制之一。

函数栈帧的创建过程

函数栈帧的创建过程分为以下几个步骤：

1. 参数入栈：函数调用时，参数须按照约定入栈。在一些体系结构中，参数入栈的顺序是从右到左。
2. 栈帧开辟：栈指针（SP）指向当前栈顶，将返回地址（或是跳转地址）入栈；将基地址（BP）更新为当前SP，此时，BP指向当前栈帧的基地址。
3. 局部变量入栈：将函数中所需使用的局部变量按顺序入栈。
4. 函数栈帧创建完毕：此时，即刻可以通过BP指针访问传递的参数和局部变量。

举个例子：

void func(int a, int b) {
    int c = a + b;
    printf("%d", c);
}
int main() {
    func(1, 2);
    return 0;
}

当调用func函数时，参数a和b会先入栈，然后func函数开辟一个新的栈帧，保存当前现场信息(如地址和寄存器状态)，并将基地址BP指向此时的栈顶；局部变量c也会入栈，此时，函数栈帧创建完毕。

函数栈帧的销毁过程

当函数执行结束后，系统需要销毁栈帧，恢复到先前的状态。函数栈帧的销毁过程可以分为以下几个步骤：

1. 返回值传递：将函数返回值传递给调用该函数的函数。若返回值为结构体或被传递引用，则需要在堆上生成该对象然后将其首地址返回给调用者。
2. 局部变量出栈：将局部变量按照倒序(即与入栈的顺序相反)出栈。
3. 栈帧清理：还原当前现场信息(如地址和寄存器状态)，将原来的BP指针还原为当前的SP指针。
4. 跳转指令：将返回地址从栈中弹出并跳转到对应的位置。

继续上面的例子：

void func(int a, int b) {
    int c = a + b;
    printf("%d", c);
}
int main() {
    func(1, 2);
    return 0;
}

当func函数执行结束后，将会按照如下步骤销毁函数栈帧：

1. 函数将执行完毕并将返回值(如果有的话)传递到栈顶。
2. 先将局部变量c出栈。
3. 在还原栈帧并将原始BP指针(也就是func第一步操作时压栈时的地址)还原到当前SP位置上。
4. 跳转回调用func函数时的位置。

示例说明

示例一

代码：

int add(int a, int b) {
    int c = a + b;
    return c;
}
int main() {
    int result = add(1, 2);
    return 0;
}

在执行add函数时，参数a和b会先入栈；然后add函数会开辟一个新的栈帧，并将基地址（BP）更新为当前栈顶；最后将局部变量c入栈，函数栈帧创建完成。接着，程序执行return语句，将返回值c传递给调用函数，然后函数开始销毁栈帧: 先将局部变量c出栈, 在还原函数栈帧，最后执行ret指令，跳回到调用add函数时的位置。

示例二

代码:

int div(int a, int b) {
    if(b != 0) {
        return a / b;
    } else {
        printf("Error: Division by zero.");
        return 0;
    }
}
int main() {
    int a = 5;
    int b = 0;
    int result = div(a, b);
    return 0;
}

在执行div函数时，参数a和b会先入栈；然后div函数会开辟一个新的栈帧，并将基地址（BP）更新为当前栈顶；在div函数调用if条件判断时，由于b的值为0，程序执行else语句中的printf函数，输出错误信息。接着，程序执行return语句，将返回值0传递给调用函数，然后函数开始销毁栈帧: 先将局部变量(也就是printf函数中的“Error: Division by zero.”字符串)出栈, 在还原div函数的栈帧，最后执行ret指令，跳回到调用div函数时的位置。

以上就是函数栈帧的创建和销毁的深层分析。