浅谈函数调用！

324次阅读  |  发布于2年以前

导语 | 在任意一门编程语言中，函数调用基本上都是非常常见的操作；我们都知道，函数是由调用栈实现的，不同的函数调用会切换上下文；但是，你是否好奇，对于一个函数调用而言，其底层到底是如何实现的呢？本文讲解了函数调用的底层逻辑实现。

一、汇编概述

既然要讲解函数调用的底层逻辑实现，那么汇编语言我们是绕不过的。

因此，首先来复习一下汇编相关的知识。

我们都知道，计算机只能读懂二进制指令，而汇编就是一组特定的字符，汇编的每一条语句都直接对应CPU的二进制指令，比如：mov rax，rdx就是我们常见的汇编指令。

汇编语言就是通过一条条的 助记符+操作数实现的，并且汇编指令经过汇编器（assemble，例如Linux下的as）转变为实际的CPU二进制指令。

（一）一个简单的汇编例子

上面讲的有些空洞，来看一个实际的例子：


; 将寄存器rsp的值存储到寄存器rbp中
mov rbp, rsp

; 将四个字节的4存储到地址为rbp-4的栈上
mov DWORD PTR [rbp-4], 4

; 将rsp的值减去16
sub rsp, 16

需要注意的是：汇编语言是和实际底层的CPU息息相关的；上面的汇编格式使用的便是Intel的语法格式。

常见的汇编语言有两种截然不同的语法：

若将上面的Intel汇编改写为AT&T汇编，则为：

movq %rsp, %rbp

movl $4, -4(%rbp)

subq $16, %rsp

可以看到，AT&T汇编的另外一个特点是：有前缀和后缀。

比如：前缀%,$；后缀q，l等等。

这些前缀后缀有特殊的意思，后文会讲解，不同的格式侧重点不太一样。

（二）常用汇编指令

下面是一些非常常用的汇编指令，在后文中都会用到：

二、通用寄存器概述

对于汇编语言，仅仅了解其语法内容是远远不够的！

由于汇编语言和CPU是息息相关的，因此在硬件层面我们还需要关注CPU的通用寄存器。

在所有CPU体系架构中，每个寄存器通常都是有建议的使用方法的，而编译器也通常依照CPU架构的建议来使用这些寄存器，因而我们可以认为这些建议是强制性的。

（一）8086架构(16bit)

让我们把视线首先转移到8086

下图展示了在8086 CPU中的各个寄存器：

主要包括下面几类寄存器：

这些寄存器的作用主要是：暂存计算机过程中的数据。

另外，AX、BX、CX、DX这四个寄存器又可以分为两个8位的寄存器来使用，分别是AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。

注意：其中H表示高位（high），L表示低位（low）的意思。

下面来看下控制单元：

IP寄存器就是指令指针寄存器（Instruction Pointer Register），指向代码段中下一条指令的位置；CPU会根据它不断地从内存的代码段中取出指令并加载到CPU的指令队列中，然后交给运算单元去执行。CS、DS、SS、ES这四个寄存器都是16位寄存器，用来存储进程的地址空间信息。

比如：

如何根据上述段寄存器找到所需的地址呢？

CS和DS中都存放着一个段的起始地址，代码段的偏移值存放在IP寄存器中，而数据段的偏移值放在通用寄存器中；由于8086架构中总线地址是20位的，而段寄存器和IP寄存器以及通用寄存器都是16位的，所以为了得到20位的地址，先将段寄存器中起始地址左移4位，然后再加上偏移量，就得到了20位的地址；也正是由于偏移量是16位的，所以每个段最大的大小是64K的。

另外，对于20位的地址总线来说，能访问到的内存大小最多也就只有2^20=1MB。

如果计算得到某个要访问的地址是1MB+X，那么最后访问的是地址X，因为地址线只能发送低20位的。

8086CPU设置了一个：16位标志寄存器PSW（也叫FR），其中规定了9个标志位，用来存放运算结果特征和控制CPU操作。

9个标志位可以分为两类大类：

其中条件码包括：

控制标志位包括：

（二）x86架构

接着，让我们步入32位机时代，来看看x86体系下的CPU寄存器：

可以看到，为了使得运行在8086架构上的程序在移到32位架构之后也能执行，32位架构对8086架构进行了兼容：

关于选择子：

先根据段寄存器拿到段的起始地址，再根据段寄存器中保存的选择子，找到对应的段描述符，然后从这个段描述符中取出这个段的起始地址；就相当于由之前的直接找到段起始地址变成了间接找到段起始地址；这样改变之后，段起始地址会变得很灵活。

但是这样就跟原来的8086架构不兼容了，因此为了兼容8086架构，32位架构中引入了实模式和保存模式：8086架构中的方式就称为实模式，32位这种模式就被称为保护模式。

当系统刚刚启动的时候，CPU是处于实模式的，这个时候和8086模式是兼容的；当需要更多内存时，进行一系列的操作，将其切换到保护模式，这样就能使用32位了。

模式可以理解为：CPU和操作系统的一起干活的模式：

这样操作系统给CPU下命令，CPU按照约定好的，就能得到操作系统预料的结果，操作系统也按照约定好的，将一些数据结构，例如段描述符表放在一个约定好的地方，这样CPU就能找到。两者就可以配合工作了。

下面是x86平台下一些寄存器的调用特殊约定：

作为通用寄存器，过程调用中，调用者栈帧需要寄存器暂存数据，被调用者栈帧也需要寄存器暂存数据。

为防止调用过程中数据不会被破坏丢失，C/C++编译器遵守如下约定的规则：

当产生函数调用时，子函数内通常也会使用到通用寄存器，那么这些寄存器中之前保存的调用者(父函数）的值就会被覆盖！为了避免数据覆盖而导致从子函数返回时寄存器中的数据不可恢复，CPU 体系结构中就规定了通用寄存器的保存方式。

如果一个寄存器被标识为Caller Save， 那么在进行子函数调用前，就需要由调用者提前保存好这些寄存器的值，保存方法通常是把寄存器的值压入堆栈中，调用者保存完成后，在被调用者（子函数）中就可以随意覆盖这些寄存器的值了。

如果一个寄存被标识为Callee Save，那么在函数调用时，调用者就不必保存这些寄存器的值而直接进行子函数调用，进入子函数后，子函数在覆盖这些寄存器之前，需要先保存这些寄存器的值，即这些寄存器的值是由被调用者来保存和恢复的。

具体来讲：

当该函数是处于调用者角色时，如果该函数执行过程中产生的临时数据会已存

储在%eax，%edx，%ecx这些寄存器中，那么在其执行call指令之前会将这些寄存器的数据写入其栈帧内指定的内存区域，这个过程叫做调用者保存约定(Caller Save)。

当该函数是处于被调用者角色时，那么在其使用这些寄存器%ebx，%esp，%edi之前，那么该函数会保存这些寄存器中的信息到其栈帧指定的内存区域，这个过程叫被调用者保存约定；%eax总会被用作返回整数值。

%esp，%ebp总被分别用着指向当前栈帧的顶部和底部，主要用于在当前函数推出时，将他们还原为原始值；往往会在栈帧开始处保存上一个栈帧的ebp，而esp是全栈的栈顶指针，一直指向栈的顶部。

注：在x86-64架构下也是类似的约定！

（三）x86-64架构

最后就是我们目前主流的x86-64架构了；

对于x86-64架构，最常用的有16个64位通用寄存器，各寄存器及用途如下所示：

从上面的表可以看到，除了扩展原来存在的通用寄存器，x64架构还引入了8个新的通用寄存器：r8-r15。

这些寄存器虽然都可以用，但是还是做了一些规定，如下：

函数返回值存放的寄存器：rax。

同时，和上面x32架构类似这里也要区分Caller Save和Callee Save寄存器，即寄存器的值是由 调用者保存 还是由 被调用者保存。

在x32的时代，通用寄存器少，参数传递都是通过入栈（汇编指令push）实现的（当然也有使用寄存器传递的，比如著名的C++ this指针使用ecx寄存器传递，不过能用的寄存器毕竟不多），相对CPU寄存器来说，访问太慢，函数调用的效率就不高；

而在x86-64时代，寄存器数量多了，CPU就可以利用额外的寄存器rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9来存储参数！

寄存器传参的好处是速度快，减少了对内存的读写次数。

注：多于6个的参数，依然还是通过入栈实现传递。

因此在x86_64位机器上编程时，需要注意：

注意：具体使用栈还是用寄存器传参数，这个不是编程语言决定的，而是编译器在编译生成CPU指令时决定的。如果编译器非要在x64架构CPU上使用线程栈来传参那也不是不行，这个对高级语言是无感知的。

（三）x86-64寄存器的向下兼容

上述的寄存器名字都是64位的名字，对于每个寄存器，我们还可以只使用它的一部分，并使用另一个新的名字：

下面这些寄存器可能也会需要用到其他寄存器：

和上面所述的x86架构类似，在x86-64架构下也存在实模式；更多关于 x86-64 处理器架构：

http://c.biancheng.net/view/3460.html

https://www.cnblogs.com/mazhimazhi/p/15236954.html

更多关于CPU寄存器历史见： https://zhuanlan.zhihu.com/p/272135463

三、函数调用结构

上文简单复习了一下汇编和寄存器相关的内容。下面来正式来看看函数调用的底层是如何实现的！

注：这里的说明采用的是：

（一）函数调用

子函数调用时，调用者与被调用者的栈帧结构如下图所示：

在子函数调用时，需要切换上下文使得当前调用栈进入到一个新的执行中：

保存返回地址和保存上一栈帧的%rbp都是为了函数返回时，恢复父函数的栈帧结构（保存函数调用上下文）。

在使用高级语言进行函数调用时，由编译器自动完成上述整个流程；甚至对于”Caller Save”和“Callee Save”寄存器的保存和恢复，也都是由编译器自动完成的。

需要注意的是：父函数中进行参数压栈时，顺序是从后向前进行的（调用栈空间都是从大地址向小地址延伸，这一点刚好和堆空间相反）。

这一行为并不是固定的，是依赖于编译器的具体实现的。

至少在GCC中，使用的是从后向前的压栈方式，这种方式便于支持类似于printf(“%d，%d”，i，j) 这样的使用变长参数的函数调用。

以下面的函数为例：

void func() {}

void my_func() {
    func();
}

对应的汇编为：


func():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        nop
        pop     rbp
        ret
my_func():
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    func()
        nop
        pop     rbp
        ret

在函数my_func和func中：开始的两句就是由编译器默认生成的切换上下文语句（函数my_func中也存在这个语句是因为它最终也会被其他函数s调用）。

当my-func函数调用func函数时：

函数开头的push rbp和mov rbp，rsp又叫做函数的序言（prologue），几乎每个函数一开始都会该指令。

它和函数最后的pop rbp和ret（epilogue）起到维护函数的调用栈的作用。

接下来，顺理成章的我们来看一下函数的返回过程。

（二）函数返回

函数返回时，我们只需要得到函数的返回值（保存在%rax中），之后就需要将栈的结构恢复到函数调用之差的状态，并跳转到父函数的返回地址处继续执行即可。

由于函数调用时已经保存了返回地址和父函数栈帧的起始地址，要恢复到子函数调用之前的父栈帧，我们只需要执行以下两条指令：


pop rbp
ret

首先执行pop rbp指令，直接将调用栈地址恢复至调用函数之前的状态。

随后通过ret指令跳转至返回地址处并执行。

（三）数据参数传递

在函数调用中，另一个需要关注的便是函数参数的传递：入参传递以及返回值传递。

函数在计算的时候，存储数据的地方总共有三个：

知道了数据的存储地方，那么数据的传递就分为以下四个方面：

注意：数据不能从内存直接传递到内存，如果需要从内存传递到内存，要以寄存器为中介！

同时需要注意的是：数据是有大小的！

比如：一个word是两个字节（16bit），double words是四个字节（32bit），quadruple words是八个字节（64bit）。

所以传递数据的时候，要知道传递的数据大小：

Intel格式的汇编会在数据前面说明数据大小：比如 mov DWORD PTR [rbp-4]，4，意思是将一个4字节的4存储到栈上（地址为rbp-4）。

而AT&T格式是通过指令的后缀来说明，同样的指令为movl $4, -4(%rbp)；并且存储的地方，AT&T汇编是通过前缀来区别，比如%q前缀表示寄存器，$表示立即数，()表示内存。

学习了数据的传递方式之后，让我们看看函数的调用习惯。

之前我们简单学习了一下Caller和Callee的区别，在这里我们会深入的学习。

首先，什么是函数调用约定？

在Caller调用Callee时，要将参数(arguements)传递给Callee，一个函数可以接收多个参数，而Caller与Callee之间约定的每个参数的应该怎么传递就是调用习惯；这样，Callee才能到指定的位置获取到相应的参数。

比如下面的代码：


int square(int num) {
    return num * num;
}

int main() {
    int i = 4;
    int j = square(i);
}

在main函数中调用square，参数i是如何传递到square中的？

上面的代码对应的汇编如下：


square(int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        imul    eax, eax
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 4
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     edi, eax
        call    square(int)
        mov     DWORD PTR [rbp-8], eax
        mov     eax, 0
        leave
        ret

通过上面的汇编，我们可以知道：

在main里面，4先存到栈上（mov DWORD PTR [rbp-4]，4），然后存在edi里面（mov eax，DWORD PTR [rbp-4]、mov edi，eax），而sqaure函数直接就从edi里面读取4的值了！

这就说明：参数4是通过寄存器edi传给了callee (sqaure) 。

可能有同学会以为，从代码看，参数不是直接就传给了sqaure吗？实际上，在汇编中，这个变量i是不存在的，只有寄存器和内存，因此我们需要约定好入参i的值存在哪里。

下面让我们来详细看看这些约定、常见寄存器负责传递的参数以及一些作用（前文简要介绍了一些）：

在上面的列表中：

同时，如果函数返回比较大的对象，那么第一个参数rdi会用来传递存储这个对象的地址（这个地址是由caller分配的）。

有了这些基础，我们就更容易理解C++中的copy elision了。

相关阅读：

四、常见控制结构

在知道了函数参数是如何传递的之后，我们来更升一级。

下面根据具体代码来看一看我们经常使用的if、for、while等控制结构在底层是如何实现的。

if，while循环等控制结构，在汇编里面，都是基于判定语句，跳转语句实现的：做一个计算，检查相应的flag，然后根据flag的值确定要跳转到哪里。

比如下面的if语句：


int multiply(int j) {
    if (j > 6) {
        return j*2;
    } else {
        return j*3;
    }
}

对应的汇编语句如下：


multiply(int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
        cmp     DWORD PTR [rbp-4], 6
        jle     .L2
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        add     eax, eax
        jmp     .L3
.L2:
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     eax, edx
        add     eax, eax
        add     eax, edx
.L3:
        pop     rbp
        ret

最前面和最后两条命令就是函数调用中的上下文切换，这个在前文中已经详细说明了。

函数的逻辑从第三条语句真正开始：

mov DWORD PTR [rbp-4]，edi表示将寄存器edi中的4个字节的值（DWORD PTR）移至 [rbp-4] 对应内存地址中。

这里和上面所讲述的参数传递的约定是保持一致的，因为我们的入参j是int类型，只有32位，因此使用的是edi寄存器来传递的参数。

随后，使用cmp指令将内存中的数和立即数6进行比较（即，j>6），此指令会改变标志寄存器%eflags的状态。

然后jle会利用标志寄存器%eflags中的状态进行跳转：

无论是向下执行还是跳转至.L2执行，最终两者都会执行至.L3并返回。

下面再来看一个for循环的例子：


int add(int j) {
    int ret = 0;
    for (int i = 0; i < j; ++i) {
        ret+= i;
    }
    return ret;
}

对应的汇编如下：


add(int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-20], edi
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 0
        mov     DWORD PTR [rbp-8], 0
        jmp     .L2
.L3:
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
        add     DWORD PTR [rbp-4], eax
        add     DWORD PTR [rbp-8], 1
.L2:
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
        cmp     eax, DWORD PTR [rbp-20]
        jl      .L3
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        pop     rbp
        ret

从上面的汇编我们可以看到，入参j依旧是由寄存器edi传递，并存储在了内存[rbp-20]中。

随后两行分别初始化了参数ret:[rbp-4]、i:[rbp-8]。

紧接着，指令直接跳转至.L2处，首先比较了[rbp-8]和[rbp-20]中的值（即比较i和j）：如果i<j则跳转至.L3处执行。

这里的判断是符合for循环的逻辑的：在进入for循环之前首先会判断一次条件。

.L3代码块是for循环的真正逻辑：

; ret += i;
mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
add     DWORD PTR [rbp-4], eax

; ++i
add     DWORD PTR [rbp-8], 1

其他控制结构的逻辑也是类似的，这里不再赘述了！

五、总结

本文首先简要复习了汇编以及通用寄存器相关的内容，随后进入到文章主题：函数调用。

在函数调用中讲述了函数调用中的调用和返回细节、上下文切换保护、函数传递等内容。

最后略微引申了函数中常见控制结构的底层实现。

参考资料：

1.《程序是怎样跑起来的》

2.《程序员的自我修养 : 链接、装载与库》

3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/368962727

4.https://zhuanlan.zhihu.com/p/27339191

5.http://c.biancheng.net/view/3460.html

6.https://zhuanlan.zhihu.com/p/288636064

7.https://zhuanlan.zhihu.com/p/272135463

8.http://119.23.219.145/posts/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E4%BD%93%E7%B3%BB%E7%BB%93%E6%9E%84-x86-%E6%9E%B6%E6%9E%84%E7%9A%84%E8%AE%B2%E8%A7%A3/

Copyright© 2013-2020

All Rights Reserved 京ICP备2023019179号-8