浅谈函数调用！-六虎

导语 | 在恣意一门编程言语中，函数调用基本上都是十分常见的操作；咱们都知道，函数是由调用栈完结的，不同的函数调用会切换上下文；可是，你是否好奇，关于一个函数调用而言，其底层到底是怎样完结的呢？本文解说了函数调用的底层逻辑完结。

一、汇编概述

既然要解说函数调用的底层逻辑完结，那么汇编言语咱们是绕不过的。

因而，首要来温习一下汇编相关的常识。

咱们都知道，核算机只能读懂二进制指令，而汇编便是一组特定的字符，汇编的每一条句子都直接对应CPU的二进制指令，比方：mov rax，rdx便是咱们常见的汇编指令。

汇编言语便是经过一条条的助记符+操作数完结的，而且汇编指令经过汇编器（assemble，例如Linux下的as）转变为实践的CPU二进制指令。

（一）一个简略的汇编比方

上面讲的有些空洞，来看一个实践的比方：

; 将存放器rsp的值存储到存放器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

需求留意的是：汇编言语是和实践底层的CPU休戚相关的；上面的汇编格局运用的便是Intel的语法格局。

常见的汇编言语有两种天壤之别的语法：

Intel格局：optcode destination，source，相似于语法int i=4。
AT&T格局：optcode source，destination，直观了解为move from source to destination。

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

能够看到，AT&T汇编的别的一个特点是：有前缀和后缀。

比方：前缀%,$；后缀q，l等等。

这些前缀后缀有特别的意思，后文会解说，不同的格局侧重点不太相同。

（二）常用汇编指令

下面是一些十分常用的汇编指令，在后文中都会用到：

二、通用存放器概述

关于汇编言语，只是了解其语法内容是远远不够的！

因为汇编言语和CPU是休戚相关的，因而在硬件层面咱们还需求关注CPU的通用存放器。

在所有CPU系统架构中，每个存放器一般都是有主张的运用办法的，而编译器也一般依照CPU架构的主张来运用这些存放器，因而咱们能够认为这些主张是强制性的。

（一）8086架构(16bit)

让咱们把视线首要转移到8086

下图展现了在8086 CPU中的各个存放器：

首要包含下面几类存放器：

通用存放器：均可用来存放地址和数据。
指针和变量存放器：用来存放，某一段内地址偏移量，用来形成操作数地址，首要用来再仓库操作或许变址操作中运用。
段存放器：因为存储器空间是分段的，所以这些段存放器则是每个段的首地址。
指令指针：IP用来存放将要履行的下一条指令再现在代码段的偏移量，将这个偏移量+段存放器中存放的基地址，就找到了下一条指令的地址。
标志位存放器：用来存放核算成果的特征，这些标志位常常被用作接下来程序运转的条件。
8086处理器内部有8个16位的通用存放器，也便是CPU内部的数据单元，分别是：AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。

这些存放器的作用首要是：暂存核算机进程中的数据。

别的，AX、BX、CX、DX这四个存放器又能够分为两个8位的存放器来运用，分别是AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL。

留意：其中H标明高位（high），L标明低位（low）的意思。

下面来看下操控单元：

IP存放器便是指令指针存放器（Instruction Pointer Register），指向代码段中下一条指令的方位；CPU会依据它不断地从内存的代码段中取出指令并加载到CPU的指令行列中，然后交给运算单元去履行。CS、DS、SS、ES这四个存放器都是16位存放器，用来存储进程的地址空间信息。

比方：

CS是代码段存放器（Code Segment Register），经过它能够找到代码在内存中的方位。
DS是数据段存放器（Data Segment Register），经过它能够找到数据在内存中的方位。
SS是栈存放器（Stack Register），栈是程序运转进程所需求的一种数据结构，首要用于记录函数调用的关系。
ES是一个附加段存放器（Extra Segment Register），当发现段存放器不够用的时分，你能够考虑运用ES段存放器。

怎样依据上述段存放器找到所需的地址呢？

CS和DS中都存放着一个段的开端地址，代码段的偏移值存放在IP存放器中，而数据段的偏移值放在通用存放器中；因为8086架构中总线地址是20位的，而段存放器和IP存放器以及通用存放器都是16位的，所认为了得到20位的地址，先将段存放器中开端地址左移4位，然后再加上偏移量，就得到了20位的地址；也正是因为偏移量是16位的，所以每个段最大的巨细是64K的。

别的，关于20位的地址总线来说，能拜访到的内存巨细最多也就只要2^20=1MB。

假如核算得到某个要拜访的地址是1MB+X，那么终究拜访的是地址X，因为地址线只能发送低20位的。

关于标志位

8086CPU设置了一个：16位标志存放器PSW（也叫FR），其中规则了9个标志位，用来存放运算成果特征和操控CPU操作。

9个标志位能够分为两类大类：

条件码
操控标志位

其中条件码包含：

OF（Overflow Flag）溢出标志，溢出时为1，不然置0：标明一个溢出了的核算，如：结构和方针不匹配。
SF（Sign Flag）符号标志，成果为负时置1，不然置0。
ZF（Zero Flag）零标志，运算成果为0时置1，不然置0。
CF（Carry Flag）进位标志，进位时置1，不然置0；留意：Carry标志中存放核算后最右的位；
AF（Auxiliary carry Flag）辅助进位标志，记录运算时第3位（半个字节）发生的进方位。有进位时1，不然置0；
PF（Parity Flag）奇偶标志，成果操作数中1的个数为偶数时置1，不然置0；

操控标志位包含：

DF（Direction Flag）方向标志，在串处理指令中操控信息的方向。
IF(Interrupt Flag）中断标志。
TF(Trap Flag）陷井标志。

（二）x86架构

接着，让咱们步入32位机年代，来看看x86系统下的CPU存放器：

能够看到，为了使得运转在8086架构上的程序在移到32位架构之后也能履行，32位架构对8086架构进行了兼容：

通用存放器从16位变成了32位，也便是8个32位的通用存放器；可是为了坚持兼容，仍然保存了16位和8位的运用办法，即：AH、AL等。
指向下一条指令的指令指针存放器也从16位变成了32位，被称为EIP，可是相同兼容16位的运用办法。
段存放器改动比较大：在32位架构中段存放器仍是16位，可是它不再标明段的开端地址，而是标明索引；32位架构中，引入了段描述符表，表格中的每一项都是段描述符（Segment Descriptor），记录了段在内存中的开端方位，而这张表则存放在内存的某个地址；那么，段存放器中存的便是对应段在段表中的方位，称为选择子（selector）。

关于选择子：

先依据段存放器拿到段的开端地址，再依据段存放器中保存的选择子，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开端地址；就相当于由之前的直接找到段开端地址变成了直接找到段开端地址；这样改动之后，段开端地址会变得很灵敏。

可是这样就跟本来的8086架构不兼容了，因而为了兼容8086架构，32位架构中引入了实形式和保存形式：8086架构中的办法就称为实形式，32位这种形式就被称为维护形式。

当系统刚刚发动的时分，CPU是处于实形式的，这个时分和8086形式是兼容的；当需求更多内存时，进行一系列的操作，将其切换到维护形式，这样就能运用32位了。

形式能够了解为：CPU和操作系统的一起干活的形式：

在实形式下，两者约好好了这些存放器是干这个的，总线是这样的，内存拜访是这样的。
在维护形式下，两者约好好了这些存放器是干那个的，总线是那样的，内存拜访是那样的。

这样操作系统给CPU下命令，CPU依照约好好的，就能得到操作系统意料的成果，操作系统也依照约好好的，将一些数据结构，例如段描述符表放在一个约好好的当地，这样CPU就能找到。两者就能够合作工作了。

下面是x86平台下一些存放器的调用特别约好：

作为通用存放器，进程调用中，调用者栈帧需求存放器暂存数据，被调用者栈帧也需求存放器暂存数据。

为防止调用进程中数据不会被损坏丢失，C/C++编译器恪守如下约好的规则：

当发生函数调用时，子函数内一般也会运用到通用存放器，那么这些存放器中之前保存的调用者(父函数）的值就会被掩盖！为了避免数据掩盖而导致从子函数回来时存放器中的数据不可康复，CPU 系统结构中就规则了通用存放器的保存办法。

假如一个存放器被标识为Caller Save，那么在进行子函数调用前，就需求由调用者提早保存好这些存放器的值，保存办法一般是把存放器的值压入仓库中，调用者保存完结后，在被调用者（子函数）中就能够随意掩盖这些存放器的值了。

假如一个存放被标识为Callee Save，那么在函数调用时，调用者就不必保存这些存放器的值而直接进行子函数调用，进入子函数后，子函数在掩盖这些存放器之前，需求先保存这些存放器的值，即这些存放器的值是由被调用者来保存和康复的。

具体来讲：

当该函数是处于调用者人物时，假如该函数履行进程中发生的暂时数据会已存

储在%eax，%edx，%ecx这些存放器中，那么在其履行call指令之前会将这些存放器的数据写入其栈帧内指定的内存区域，这个进程叫做调用者保存约好(Caller Save)。

当该函数是处于被调用者人物时，那么在其运用这些存放器%ebx，%esp，%edi之前，那么该函数会保存这些存放器中的信息到其栈帧指定的内存区域，这个进程叫被调用者保存约好；%eax总会被用作回来整数值。

%esp，%ebp总被分别用着指向当时栈帧的顶部和底部，首要用于在当时函数推出时，将他们还原为原始值；往往会在栈帧开端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架构下也是相似的约好！

（三）x86-64架构

存放器约好

终究便是咱们现在主流的x86-64架构了；

关于x86-64架构，最常用的有16个64位通用存放器，各存放器及用途如下所示：

从上面的表能够看到，除了扩展本来存在的通用存放器，x64架构还引入了8个新的通用存放器：r8-r15。

这些存放器虽然都能够用，可是仍是做了一些规则，如下：

函数回来值存放的存放器：rax。

rax一起也用于乘法和除法指令中。在imul指令中，两个64位的乘法最多会发生128位的成果，需求rax与rdx共同存储乘法成果，在div指令中被除数是128位的，相同需求rax与rdx共同存储被除数
rsp是仓库指针存放器，一般会指向栈顶方位，仓库的pop和push操作便是经过改动rsp的值即移动仓库指针的方位来完结的。
rbp是栈帧指针，用于标识当时栈帧的开端方位。
%rdi，%rsi，%rdx，%rcx，%r8，%r9六个存放器用于存储函数调用时的6个参数（假如有6个或6个以上参数的话）。
rbx被标识为 “miscellaneous registers”，归于通用性更为广泛的存放器，编译器或汇编程序能够依据需求存储任何数据。
rbx、rbp、r12、r13、r14、r15：这些存放器由被调用者负责维护，在回来的时分要康复这些存放器中原本的值。

一起，和上面x32架构相似这儿也要差异Caller Save和Callee Save存放器，即存放器的值是由调用者保存仍是由被调用者保存。

函数传参优化

在x32的年代，通用存放器少，参数传递都是经过入栈（汇编指令push）完结的（当然也有运用存放器传递的，比方著名的C++ this指针运用ecx存放器传递，不过能用的存放器毕竟不多），相对CPU存放器来说，拜访太慢，函数调用的功率就不高；

而在x86-64年代，存放器数量多了，CPU就能够利用额外的存放器rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9来存储参数！

存放器传参的优点是速度快，减少了对内存的读写次数。

注：多于6个的参数，仍然仍是经过入栈完结传递。

因而在x86_64位机器上编程时，需求留意：

为了功率尽量运用少于6个参数的函数。
传递比较大的参数，尽量运用指针，因为存放器只要64位。

留意：具体运用栈仍是用存放器传参数，这个不是编程言语决议的，而是编译器在编译生成CPU指令时决议的。假如编译器非要在x64架构CPU上运用线程栈来传参那也不是不可，这个对高档言语是无感知的。

（四）x86-64存放器的向下兼容

上述的存放器名字都是64位的名字，关于每个存放器，咱们还能够只运用它的一部分，并运用另一个新的名字：

下面这些存放器或许也会需求用到其他存放器：

8个80位的x87存放器（%st0~st7），用于浮点核算。
8个64位的MMX存放器，用于MMX指令（多媒体指令），这8个存放器跟 x87存放器在物理上是相同的存放器。
16个128位的SSE存放器，用于SSE指令。
RIP指令存放器，保存指令地址。
flags（rflags-64位，eflags-32位）存放器。每个位用来标识一个状况。比方，这些标识符或许用于比较和跳转的指令。

和上面所述的x86架构相似，在x86-64架构下也存在实形式；更多关于 x86-64 处理器架构：

c.biancheng.net/view/3460.h…

www.cnblogs.com/mazhimazhi/…

更多关于CPU存放器前史见： zhuanlan.zhihu.com/p/272135463

三、函数调用结构

上文简略温习了一下汇编和存放器相关的内容。下面来正式来看看函数调用的底层是怎样完结的！

注：这儿的阐明采用的是：

编译器：GCC 12.1。
优化级别为-O0。
汇编指令为intel架构。

（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，需求切换上下文使得当时调用栈进入到一个新的履行中：

父函数将调用参数从后向前压栈：由函数调用者完结（上文中的Caller逻辑）。
将回来地址压栈保存：call指令完结。
跳转到子函数开端地址履行：call指令完结。
子函数将父函数栈帧开端地址（%rpb）压栈：由函数被调用者完结（上文中的Callee逻辑）；
将%rbp的值设置为当时%rsp的值，即将%rbp指向子函数栈帧的开端地址：由函数被调用者完结（上文中的Callee逻辑），完结函数上下文的切换。

保存回来地址和保存上一栈帧的%rbp都是为了函数回来时，康复父函数的栈帧结构（保存函数调用上下文）。

在运用高档言语进行函数调用时，由编译器主动完结上述整个流程；乃至关于”Caller Save”和“Callee Save”存放器的保存和康复，也都是由编译器主动完结的。

需求留意的是：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完结的。

至少在GCC中，运用的是从后向前的压栈办法，这种办法便于支撑相似于printf(“%d，%d”，i，j) 这样的运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：开端的两句便是由编译器默许生成的切换上下文句子（函数my_func中也存在这个句子是因为它终究也会被其他函数s调用）。

当my-func函数调用func函数时：

首要，履行call指令，保存回来地址，并跳转至func函数开端地址（这儿没有压栈调用参数是因为func入参为空）。
随后，在func函数中，运用push rbp和mov rbp，rsp保存上下文，随后开端履行func函数中的逻辑。
因为没有代码，且没有回来值，此次为nop指令。
终究，康复上下文，并回来（函数回来鄙人文中介绍）。

函数最初的push rbp和mov rbp，rsp又叫做函数的序言（prologue），简直每个函数一开端都会该指令。

它和函数终究的pop rbp和ret（epilogue）起到维护函数的调用栈的作用。

接下来，水到渠成的咱们来看一下函数的回来进程。

（二）函数回来

函数回来时，咱们只需求得到函数的回来值（保存在%rax中），之后就需求将栈的结构康复到函数调用之差的状况，并跳转到父函数的回来地址处持续履行即可。

因为函数调用时现已保存了回来地址和父函数栈帧的开端地址，要康复到子函数调用之前的父栈帧，咱们只需求履行以下两条指令：

pop rbp
ret

首要履行pop rbp指令，直接将调用栈地址康复至调用函数之前的状况。

随后经过ret指令跳转至回来地址处并履行。

（三）数据参数传递

函数参数传递概述

在函数调用中，另一个需求关注的便是函数参数的传递：入参传递以及回来值传递。

函数在核算的时分，存储数据的当地总共有三个：

存放器；
内存：栈空间、堆（heap）空间、静态区。
程序自身：只读的程序数据片段，比方int i=4，这个4存储于程序自身，在汇编里边又叫当即数（immediate number）。

知道了数据的存储当地，那么数据的传递就分为以下四个方面：

从内存到存放器；
从存放器到内存；
从当即数到存放器；
从当即数到内存。

留意：数据不能从内存直接传递到内存，假如需求从内存传递到内存，要以存放器为中介！

一起需求留意的是：数据是有巨细的！

比方：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）。

所以传递数据的时分，要知道传递的数据巨细：

Intel格局的汇编会在数据前面阐明数据巨细：比方 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格局是经过指令的后缀来阐明，相同的指令为movl $4, - 4 ($ 标明当即数，()标明内存。

学习了数据的传递办法之后，让咱们看看函数的调用习气。

函数参数传递约好

之前咱们简略学习了一下Caller和Callee的差异，在这儿咱们会深化的学习。

首要，什么是函数调用约好？

在Caller调用Callee时，要将参数(arguements)传递给Callee，一个函数能够接收多个参数，而Caller与Callee之间约好的每个参数的应该怎样传递便是调用习气；这样，Callee才能到指定的方位获取到相应的参数。

比方下面的代码：

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是怎样传递到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

经过上面的汇编，咱们能够知道：

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

这就阐明：参数4是经过存放器edi传给了callee (sqaure) 。

或许有同学会认为，从代码看，参数不是直接就传给了sqaure吗？实践上，在汇编中，这个变量i是不存在的，只要存放器和内存，因而咱们需求约好好入参i的值存在哪里。

下面让咱们来具体看看这些约好、常见存放器负责传递的参数以及一些作用（前文扼要介绍了一些）：

在上面的列表中：

蓝色的是callee-owned、绿色背景的是caller-owned。
callee-owned标明：callee能够自由地运用这些存放器，掩盖已有的值；假如caller要运用这些存放机，那么它在调用callee前，要把这些存放器保存好；例如：假如存放器%rax的值caller想要保存，那么在调用函数之前，caller需求赋值这个值到“安全”的当地。
caller-owned标明：假如callee要运用这些存放器，那么它就要保存好这些存放器的值，而且回来到caller的时分要将这些值康复；caller-owned的存放器一般用于caller需求在函数之间保存的部分状况。
一共有六个通用的存放器用于传递参数；按顺序传递需求通用存放器传递的参数，假如通用存放器运用完了，那么就运用栈来传递。

一起，假如函数回来比较大的目标，那么第一个参数rdi会用来传递存储这个目标的地址（这个地址是由caller分配的）。

有了这些基础，咱们就更简单了解C++中的copy elision了。

四、常见操控结构

在知道了函数参数是怎样传递的之后，咱们来更升一级。

下面依据具体代码来看一看咱们经常运用的if、for、while等操控结构在底层是怎样完结的。

if，while循环等操控结构，在汇编里边，都是基于断定句子，跳转句子完结的：做一个核算，查看相应的flag，然后依据flag的值确定要跳转到哪里。

比方下面的if句子：

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

对应的汇编句子如下：

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

最前面和终究两条命令便是函数调用中的上下文切换，这个在前文中现已具体阐明晰。

函数的逻辑从第三条句子真实开端：

mov DWORD PTR [rbp-4]，edi标明将存放器edi中的4个字节的值（DWORD PTR）移至 [rbp-4] 对应内存地址中。

这儿和上面所叙述的参数传递的约好是坚持一致的，因为咱们的入参j是int类型，只要32位，因而运用的是edi存放器来传递的参数。

随后，运用cmp指令将内存中的数和当即数6进行比较（即，j>6），此指令会改动标志存放器%eflags的状况。

然后jle会利用标志存放器%eflags中的状况进行跳转：

假如j<=6，跳转至.L2。
不然持续向下履行（对应j>6的场景）。

无论是向下履行仍是跳转至.L2履行，终究两者都会履行至.L3并回来。

下面再来看一个for循环的比方：

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

从上面的汇编咱们能够看到，入参j依旧是由存放器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，首要比较了[rbp-8]和[rbp-20]中的值（即比较i和j）：假如i<j则跳转至.L3处履行。

这儿的判别是符合for循环的逻辑的：在进入for循环之前首要会判别一次条件。

.L3代码块是for循环的真实逻辑：

; ret += i;
mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
add     DWORD PTR [rbp-4], eax
; ++i
add     DWORD PTR [rbp-8], 1

其他操控结构的逻辑也是相似的，这儿不再赘述了！

五、总结

本文首要扼要温习了汇编以及通用存放器相关的内容，随后进入到文章主题：函数调用。在函数调用中叙述了函数调用中的调用和回来细节、上下文切换维护、函数传递等内容。终究稍微引申了函数中常见操控结构的底层完结。

作者简介：

张凯，腾讯后台开发工程师。

浅谈函数调用！