C语言函数栈帧的创建与销毁详解

概述

在C语言中，当一个函数被调用时，系统会为这个函数创建一个函数栈帧（也称为活动记录），用于保存函数内部的变量、参数和函数返回地址等信息。当函数执行完毕后，系统会销毁该函数栈帧，释放内存。

函数栈帧的组成部分

函数栈帧一般由以下几部分组成：

• 函数参数：函数在调用时所传递的参数，存放在栈帧的底部；
• 函数局部变量：函数内部定义的变量，存放在栈帧的中间部分；
• 函数返回地址：函数执行完毕后需要返回调用者的地址，存放在栈帧的顶部。

函数栈帧的创建过程

函数调用过程

1. 当一个函数被调用时，系统会先将当前函数的返回地址（即调用该函数的指令地址）压入栈顶；
2. 然后将函数的参数依次压入栈中；
3. 为函数内部定义的局部变量分配内存空间，将局部变量的地址压入栈中；
4. 将函数栈帧的起始地址压入栈中，作为函数执行完毕后返回的地址。

示例1

int test(int a, int b) {
    int sum = a + b;
    return sum;
}

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

当调用test函数时，系统会按照以下步骤创建test函数的栈帧：

1. 将调用test函数的地址作为返回地址压入栈顶；
2. 将参数a和b压入栈中；
3. 为局部变量sum分配内存空间，将其地址压入栈中；
4. 将test函数栈帧的起始地址压入栈中，作为函数执行完毕后返回的地址。

函数栈帧的销毁过程

函数返回过程

1. 当函数执行完成后，将返回值存入eax寄存器中；
2. 从栈顶弹出函数的调用者返回地址，将其保存在程序计数器中，函数返回到调用者；
3. 释放函数栈帧占用的内存空间。

示例2

int factorial(int n) {
    if(n <= 1) {
        return 1;
    } else {
        return n * factorial(n - 1);
    }
}

int main() {
    int result = factorial(5);
    return 0;
}

当调用factorial函数时，系统会按照以下步骤创建factorial函数的栈帧：

1. 将调用factorial函数的地址作为返回地址压入栈顶；
2. 将参数n压入栈中；
3. 为局部变量分配内存空间，将其地址压入栈中；
4. 将factorial函数栈帧的起始地址压入栈中，作为函数执行完毕后返回的地址。

当factorial函数执行完并返回结果时，系统会按照以下步骤销毁factorial函数的栈帧：

1. 将返回值存入eax寄存器中；
2. 从栈顶弹出调用factorial函数的地址，并将其保存在程序计数器中，函数返回到调用者；
3. 释放函数栈帧占用的内存空间。

总结

函数栈帧是C语言程序中非常重要的概念。了解函数栈帧的创建和销毁过程，有助于理解函数的运行机制，更好地编写高效的代码。