C语言函数调用底层实现原理是什么

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前言

C语言程序执行实质上的函数的连续调用。

运行程序时，系统通过程序入口调用main函数，在main函数中又不断调用其它函数。

程序的每个进程都包括一个调用栈结构（Call Stack）。

调用栈的作用：

• 传递函数参数

• 保存返回地址

• 临时保存寄存器原有值（保存现场）

寄存器分配

寄存器指CPU中可以进行高速运算的缓冲区。用于存放程序执行中用到的数据和指令。

Intel 32位结构寄存器（IA32）包含8个通用寄存器，每个寄存器4个字节（32位）。

通用寄存器按照AT&T语法，寄存器名以**%e**开头。

若按照Intel语法，寄存器名直接按e开头。

通用寄存器包括：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP

数据寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX

变址寄存器：ESI、EDI

指针寄存器：ESP、EBP

X86架构中，EIP寄存器指向下一条待执行的命令地址。

ESP是栈指针寄存器，指向当前栈帧的栈顶。

EBP是栈帧基址寄存器，指向当前栈帧的基地址。

不同架构的cpu寄存器名前缀不同。

例如：x86架构的寄存器用字母e作为前缀（extended），表明寄存器大小是32位。

x86_64架构用字母r作为前缀，表明寄存器大小是64位。

ABI协议规定了寄存器、堆栈的使用规则以及参数传递规则。用于约束硬件与系统之间的通信协议。编译器必须按照ABI给出的寄存器功能定义，将C程序转为汇编程序。

寄存器使用约定

寄存器是唯一能被被所有函数共享的资源。因此，在函数中调用其它函数时，需要考虑到数据的保存与覆盖问题（即防止被调函数直接修改寄存器导致主调函数的数据被覆盖）。

IA32采用了统一的寄存器使用约定，所有函数必须遵守。

• EAX、ECX、EDX为主调函数保存寄存器，即在调用被调函数之前，主调函数如果希望保存这三个寄存器的数据，需要将数据保存到堆栈中，然后调用被调函数。

• EBX、ESI、EDI是被调函数保存寄存器，被调函数如果向使用这三个寄存器，需要先将其中的数据保存到堆栈中，然后操作寄存器，最后将堆栈中的数据还原。

• EBP和ESP指向当前的栈，每个函数对应一个栈帧。被调函在返回前，需将主调函数的栈帧还原。即恢复到调用前的状态。

栈帧结构

注意，程序的栈从高地址向低地址增长！

函数调用由堆栈进行处理，每个函数都单独在堆栈中占用一块连续的区域。这块区域叫做每个函数的栈帧。栈帧是堆栈的逻辑片段。

栈帧中保存 传入的参数 局部变量 和 用于返回上一栈帧的信息。

栈帧的边界由EBP和ESP决定。EBP指向栈帧的底部（高地址），ESP指向栈顶地址（低地址）。ESP可以看作是EBP的偏移量，始终指向栈帧的顶部。

EBP为帧基指针，ESP为栈顶指针。

函数调用栈演示如下：

参数2
参数1
主调函数返回地址（EIP）
主调函数栈帧基址（EBP）
被调函数保存寄存器（可选）
局部变量1
局部变量2

函数被调用时，压栈的顺序：

参数2 -> 参数1 -> 主调函数返回地址 -> 主调函数栈帧基址 -> 被调函数保存寄存器（可选） -> 局部变量 -> 局部变量2

注意，参数是从右向左依次入栈。

参数压栈完成后，紧接着被压入的是EIP指针所指向的地址，也就是主调函数下一个要执行的命令的地址。（用于被调函数执行完后继续执行程序）

然后，将主调函数EBP栈帧基地址压入栈帧，用于还原现场。并把ESP赋值给EBP，使EBP成为被调函数的栈帧基地址。

继续，改变SP的值，给被调函数局部变量预留空间。

这时候，EBP指向被调函数的栈底，向上是主调函数返回地址，向下是局部变量。该地址还保存主调函数的栈帧基址。

函数调用结束后，EBP赋值给ESP，使ESP指向被调函数栈底，释放被调函数局部变量。再将主调函数栈帧基地址弹出给EBP，并弹出返回地址到EIP。

堆栈操作

函数调用流程

函数调用时的具体操作：

1. 主调函数按照约定，将参数压入栈中。（x86将参数压入栈帧，x86_64具有16个通用寄存器，前六个参数通常由寄存器保存，其余参数压入栈中。）

2. 主调函数将控制权转给被调函数，返回地址（EIP）保存在栈中（在call指令中执行）。

3. 被调函数设置栈帧基址，即用ESP给EBP赋值。

4. 若有必要，保存被调函数希望保持的寄存器的数据。

5. 被调函数修改栈顶指针，为局部变量预留空间。并向低地址方向开始存放局部变量和临时变量。

6. 被调函数执行任务，若被调函数返回值，一般存放在EAX中。

7. 栈顶指针指向EBP，释放局部变量空间。

8. 恢复4中保存的主调函数寄存器中的数据。并恢复3中的栈帧基址。

9. 被调函数控制权交还给主调函数（ret指令），也可能清除参数。

10. 主调函数得到控制器，可能将栈上的参数清除。

函数调用常用命令

压栈（push）：栈顶指针减小4个字节，以字节为单位将数据压入栈中。（不足补0）

出栈（pop）：栈顶指针数据被取回，ESP增大4个字节。

调用（call）：将EIP（call的下一条指令地址）压入栈帧，然后EIP指向被调函数代码开始处。

离开（leave）：恢复主调函数栈帧，等价于 mov ebp esp 、pop ebp

返回（ret）：与call对应，从栈顶弹出返回地址给EIP。继续执行程序。

C调用约定典型的函数序和函数跋如下：

	指令序列	含义
函数序(prologue)	push %ebp	将主调函数栈基指针ebp压栈，即保存旧栈帧基址以便函数返回时恢复旧栈帧。
mov %esp %ebp	将主调函数栈顶指针赋值给ebp，此时，ebp执行被调函数栈帧底部。
sub %esp	将栈顶指针下移，为局部变量开辟空间，n通常为16的倍数，以便于字节对齐进行编译优化。
push	可选，如有必要，被调函数保存某些寄存器的值（ebx，edi，esi）
函数跋(epilogue)	pop®	可选，如有必要，被调函数恢复某些寄存器的值（ebx，edi，esi）
mov %ebp %esp*	恢复主调函数栈顶指针esp，将其指向被调函数栈底。局部变量空间被释放，但数据未清除。
pop %ebp	恢复主调函数栈帧基地址，此时，esp指向返回地址存放处。
ret	从栈中弹出返回地址到eip，继续执行主调函数。再由主调函数恢复栈。
*：这两条指令序列也可以由leave实现，具体方式由编译器决定。

C语言函数调用的两种压栈方式：

压栈方式一	压栈方式二
push 4push 3push 2push 1call CdeclDemoadd $16, %ebp	sub $16, %espmov $4, 12(%esp)mov $3, 8(%esp)mov $2, 4(%esp)mov $1, (%esp)call CdeclDemo

两种压栈方式区别：

方式一是传统方式，一个参数一个参数的压栈，然后调用，最后释放栈。

方式二是预先开辟空间，然后将参数复制到空间，最后没有回收空间。

函数调用约定

创建栈帧最重要的步骤是参数的传递。函数选择特定调用约定，以特定方式进行参数传递。调用约定还规定在函数调用结束后，由主调函数还是被调函数对栈进行清理。

函数调用约定包括以下方面：

• 函数参数传递顺序和方式

• 栈的维护方式

• 名字修饰策略

常见调用约定

cdecl调用约定

别名 C调用约定，C/C++编译器默认调用约定。

所有非C++成员函数，和未使用stdcall、fastcall声明的函数默认都是cdecl调用。

参数按照从右向左的顺序入栈，主调函数负责清空栈，返回值保存在EAX中。

cdecl调用支持可变参数函数，对于C函数，名字修饰是在函数名前加 _ 。

对于C++，除非使用**extern"C"**修饰，否则有不同的名字修饰方法。

stdcall调用约定（微软命名）

Pascal程序缺省调用方式，WinAPI也多采用该调用约定。

参数从右向左入栈，被调函数负责清空栈，返回值保存在EAX。

stdcall仅适用于参数个数固定的函数，因为被调函数无法知道栈上参数个数。

C函数中，stdcall的名字修饰是在名字前加_，在名字后加@和参数大小。

fastcall调用约定

stdcall的变形，通常使用ECX、EDX寄存器传递前两个DWORD（四字节双字）类型或更少的字节的函数参数，其余从右向左入栈。

被调函数负责清空栈中参数。返回值保存在EAX中。

函数名两边使用@修饰，并在后面用十进制表示参数列表大小（字节）。

thiscall调用约定

C++类的非静态成员函数必须接收一个主调对象的指针（this指针），并频繁的使用该指针。编译器默认使用thiscall调用约定提高调用效率。

参数按照从右向左的顺序入栈。

若参数数目固定，this指针通过ECX传递，被调函数负责清理堆栈。

若参数数目不固定，this指针在所有参数入栈后再入栈，主调函数清理堆栈。

thiscall不是C++关键字，不能用于修饰函数，只能由编译器使用。

naked call调用约定

naked call调用，编译器不产生保存和恢复寄存器的代码。也不能使用return语句。

只能使用内嵌的汇编返回结果。用于某些特殊场合，如非C/C++上下文中的函数，程序员需自行编写初始化和清栈的内嵌汇编指令。

pascal调用约定

Pascal语言调用约定，参数从右向左入栈。只支持固定数量参数。

被调函数清理堆栈，函数名称无修饰且全部大写。

上述约定的特点：

调用方式	stdcall（Win32）	cdecl	fastcall	thiscall（C++）	naked call
参数压栈顺序	从右至左	从右至左	自定义，Arg1在ecx，Arg2在edx	从右至左，this指针在ecx	自定义
参数位置	栈	栈	栈 + 寄存器	栈，寄存器ecx	自定义
负责清栈函数	被调函数	主调函数	被调函数	被调函数	自定义
支持可变参数	否	是	否	否	自定义
函数名字格式	_name@number	_name	@name@number		自定义
参数表开始特征	“@@YG”	“@@YA”	“@@YI”		自定义
注：C++因支撑函数重载、命名空间和成员函数等语法特征，采用更为复杂的名字修饰策略。C++函数修饰名以"?“开始，后面紧跟函数名、参数表开始标识和按照类型代号拼出的返回值参数表。例如，函数int Function(char *var1,unsigned long)对应的stdcall修饰名为”?Function@@YGHPADK@Z"。

Windows下可直接在函数声明前添加关键字__stdcall、__cdecl或__fastcall等标识确定函数的调用方式，如int __stdcall func()。

Linux下可借用函数attribute 机制，如int attribute((stdcall)) func()。

被调函数CalleeFunc分别声明为cdecl、stdcall和fastcall约定时，汇编代码比较：

	cdecl	stdcall	fastcall
主调函数职责	sub $0xc, %espmov $0x33, 0x8(%esp)mov $0x22, 0x4(%esp)mov $0x11,(%esp)call 8048354	sub $0xc, %espmov $0x33, 0x8(%esp)mov $0x22, 0x4(%esp)mov $0x11,(%esp)call 8048354 sub $0xc, %esp	sub $0x4,%esp movl $0x33,(%esp) mov $0x22,%edx mov $0x11,%ecx call 8048354 sub $0x4,%esp
被调函数职责	push %ebpmov %ebp %espmov 0xc(%ebp), %eaxadd 0x8(%ebp), %eaxadd 0x10(%ebp), %eaxpop %ebpret	push %ebpmov %ebp %espmov 0xc(%ebp), %eaxadd 0x8(%ebp), %eaxadd 0x10(%ebp), %eaxpop %ebpret $0xc 执行ret指令并清理参数占用的堆栈(栈顶指针上移参数个数*4=12个字节，以释放压栈的参数)	push %ebp mov %esp,%ebp sub $0x8,%esp mov %ecx,0xfffffffc(%ebp) mov %edx,0xfffffff8(%ebp) mov 0xfffffff8(%ebp),%eax add 0xfffffffc(%ebp),%eax add 0x8(%ebp),%eax leave ret $0x4 //ret <压栈参数字节数>。若参数不超过两个，则ret指令不带立即数，因为无参数被压栈

调用约定影响

不同编译器产生栈帧的方式不尽相同，主调函数不一定能完成清理堆栈的工作，而被调函数一定可以。

同时，为了保证不同平台堆栈正常，一般使用stdcall调用。（通常用于A语言调用B语言函数）

此外，主调函数和被调函数采用相同调用约定，但分别使用C和C++时，会出现链接错误。

这是因为：两种语言函数名称修饰符不一样。解决方法是使用**extern “C”**修饰被调函数。

同时应该考虑，被调函数也有可能是C++编译的。通常这样声明头文件：

#ifdef _cplusplus
     extern "C" {
#endif
     type Func(type para);
#ifdef _cplusplus
     }
#endif

x86函数传递参数方法

x86处理器的ABI规范中规定，所有参数从右向左压入栈中。

整型和指针参数传递

整型参数与指针参数传递方式相同，在32位的x86处理器上整型与指针大小相同（四个字节）。

下表给出这两种类型在栈帧中位置关系：

调用语句	参数	栈帧地址
tail(1, 2, 3, (void *)0);	1	8(%ebp)
2	12(%ebp)
3	16(%ebp)
(void *)0	20(%ebp)

浮点参数传递

浮点参数的传递与整型类似，区别在于参数大小。

x86处理器中浮点类型占8个字节，因此在栈中也需要占8个字节。

下表给出浮点参数在栈中位置关系：

调用语句	参数	栈帧地址
tail(1.414, 2, 3.998e10);	word 0: 1.414	8(%ebp)
word 1: 1.414	12(%ebp)
2	16(%ebp)
word 0: 3.998e10	20(%ebp)
word 1: 3.998e10	24(%ebp)

结构体和联合体参数传递

结构体和联合体的传递与整型、浮点型类似，只是占用大小不同。

x86处理器栈宽是4字节，故结构体在栈上大小是4的倍数。

编译器会对结构体进行适当的填充使得结构体4字节对齐。

对于其它处理器，参数传递并不全部通过栈进行。结构体可能通过指针传递。

x86函数返回值传递方法

函数返回值可通过寄存器传递：

1. 若返回值不超过4字节（int、指针），通常保存在EAX中。

2. 若返回值大于4字节但不超过8字节（long long），通常保存在EAX+EDX，EDX保存高4字节，EAX保存低4字节。

3. 若返回值为浮点类型（float double），则通过专用的协处理器浮点数寄存器栈的栈顶返回。

4. 若返回值为结构体或联合体，主调函数额外传递一个参数，该参数是一个保存返回值的空间地址。

注意：函数如何保存结构体或联合体返回值取决于具体实现。

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