C語言函數調用底層實現原理是什么

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前言

C語言程序執行實質上的函數的連續調用。

運行程序時，系統通過程序入口調用main函數，在main函數中又不斷調用其它函數。

程序的每個進程都包括一個調用棧結構（Call Stack）。

調用棧的作用：

• 傳遞函數參數

• 保存返回地址

• 臨時保存寄存器原有值（保存現場）

寄存器分配

寄存器指CPU中可以進行高速運算的緩沖區。用于存放程序執行中用到的數據和指令。

Intel 32位結構寄存器（IA32）包含8個通用寄存器，每個寄存器4個字節（32位）。

通用寄存器按照AT&T語法，寄存器名以**%e**開頭。

若按照Intel語法，寄存器名直接按e開頭。

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

數據寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX

變址寄存器：ESI、EDI

指針寄存器：ESP、EBP

X86架構中，EIP寄存器指向下一條待執行的命令地址。

ESP是棧指針寄存器，指向當前棧幀的棧頂。

EBP是棧幀基址寄存器，指向當前棧幀的基地址。

不同架構的cpu寄存器名前綴不同。

例如：x86架構的寄存器用字母e作為前綴（extended），表明寄存器大小是32位。

x86_64架構用字母r作為前綴，表明寄存器大小是64位。

ABI協議規定了寄存器、堆棧的使用規則以及參數傳遞規則。用于約束硬件與系統之間的通信協議。編譯器必須按照ABI給出的寄存器功能定義，將C程序轉為匯編程序。

寄存器使用約定

寄存器是唯一能被被所有函數共享的資源。因此，在函數中調用其它函數時，需要考慮到數據的保存與覆蓋問題（即防止被調函數直接修改寄存器導致主調函數的數據被覆蓋）。

IA32采用了統一的寄存器使用約定，所有函數必須遵守。

• EAX、ECX、EDX為主調函數保存寄存器，即在調用被調函數之前，主調函數如果希望保存這三個寄存器的數據，需要將數據保存到堆棧中，然后調用被調函數。

• EBX、ESI、EDI是被調函數保存寄存器，被調函數如果向使用這三個寄存器，需要先將其中的數據保存到堆棧中，然后操作寄存器，最后將堆棧中的數據還原。

• EBP和ESP指向當前的棧，每個函數對應一個棧幀。被調函在返回前，需將主調函數的棧幀還原。即恢復到調用前的狀態。

棧幀結構

注意，程序的棧從高地址向低地址增長！

函數調用由堆棧進行處理，每個函數都單獨在堆棧中占用一塊連續的區域。這塊區域叫做每個函數的棧幀。棧幀是堆棧的邏輯片段。

棧幀中保存 傳入的參數 局部變量 和 用于返回上一棧幀的信息。

棧幀的邊界由EBP和ESP決定。EBP指向棧幀的底部（高地址），ESP指向棧頂地址（低地址）。ESP可以看作是EBP的偏移量，始終指向棧幀的頂部。

EBP為幀基指針，ESP為棧頂指針。

函數調用棧演示如下：

函數被調用時，壓棧的順序：

參數2 -> 參數1 -> 主調函數返回地址 -> 主調函數棧幀基址 -> 被調函數保存寄存器（可選） -> 局部變量 -> 局部變量2

注意，參數是從右向左依次入棧。

參數壓棧完成后，緊接著被壓入的是EIP指針所指向的地址，也就是主調函數下一個要執行的命令的地址。（用于被調函數執行完后繼續執行程序）

然后，將主調函數EBP棧幀基地址壓入棧幀，用于還原現場。并把ESP賦值給EBP，使EBP成為被調函數的棧幀基地址。

繼續，改變SP的值，給被調函數局部變量預留空間。

這時候，EBP指向被調函數的棧底，向上是主調函數返回地址，向下是局部變量。該地址還保存主調函數的棧幀基址。

函數調用結束后，EBP賦值給ESP，使ESP指向被調函數棧底，釋放被調函數局部變量。再將主調函數棧幀基地址彈出給EBP，并彈出返回地址到EIP。

堆棧操作

函數調用流程

函數調用時的具體操作：

1. 主調函數按照約定，將參數壓入棧中。（x86將參數壓入棧幀，x86_64具有16個通用寄存器，前六個參數通常由寄存器保存，其余參數壓入棧中。）

2. 主調函數將控制權轉給被調函數，返回地址（EIP）保存在棧中（在call指令中執行）。

3. 被調函數設置棧幀基址，即用ESP給EBP賦值。

4. 若有必要，保存被調函數希望保持的寄存器的數據。

5. 被調函數修改棧頂指針，為局部變量預留空間。并向低地址方向開始存放局部變量和臨時變量。

6. 被調函數執行任務，若被調函數返回值，一般存放在EAX中。

7. 棧頂指針指向EBP，釋放局部變量空間。

8. 恢復4中保存的主調函數寄存器中的數據。并恢復3中的棧幀基址。

9. 被調函數控制權交還給主調函數（ret指令），也可能清除參數。

10. 主調函數得到控制器，可能將棧上的參數清除。

函數調用常用命令

壓棧（push）：棧頂指針減小4個字節，以字節為單位將數據壓入棧中。（不足補0）

出棧（pop）：棧頂指針數據被取回，ESP增大4個字節。

調用（call）：將EIP（call的下一條指令地址）壓入棧幀，然后EIP指向被調函數代碼開始處。

離開（leave）：恢復主調函數棧幀，等價于 mov ebp esp 、pop ebp

返回（ret）：與call對應，從棧頂彈出返回地址給EIP。繼續執行程序。

C調用約定典型的函數序和函數跋如下：

C語言函數調用的兩種壓棧方式：

兩種壓棧方式區別：

方式一是傳統方式，一個參數一個參數的壓棧，然后調用，最后釋放棧。

方式二是預先開辟空間，然后將參數復制到空間，最后沒有回收空間。

函數調用約定

創建棧幀最重要的步驟是參數的傳遞。函數選擇特定調用約定，以特定方式進行參數傳遞。調用約定還規定在函數調用結束后，由主調函數還是被調函數對棧進行清理。

函數調用約定包括以下方面：

• 函數參數傳遞順序和方式

• 棧的維護方式

• 名字修飾策略

常見調用約定

cdecl調用約定

別名 C調用約定，C/C++編譯器默認調用約定。

所有非C++成員函數，和未使用stdcall、fastcall聲明的函數默認都是cdecl調用。

參數按照從右向左的順序入棧，主調函數負責清空棧，返回值保存在EAX中。

cdecl調用支持可變參數函數，對于C函數，名字修飾是在函數名前加 _ 。

對于C++，除非使用**extern"C"**修飾，否則有不同的名字修飾方法。

stdcall調用約定（微軟命名）

Pascal程序缺省調用方式，WinAPI也多采用該調用約定。

參數從右向左入棧，被調函數負責清空棧，返回值保存在EAX。

stdcall僅適用于參數個數固定的函數，因為被調函數無法知道棧上參數個數。

C函數中，stdcall的名字修飾是在名字前加_，在名字后加@和參數大小。

fastcall調用約定

stdcall的變形，通常使用ECX、EDX寄存器傳遞前兩個DWORD（四字節雙字）類型或更少的字節的函數參數，其余從右向左入棧。

被調函數負責清空棧中參數。返回值保存在EAX中。

函數名兩邊使用@修飾，并在后面用十進制表示參數列表大小（字節）。

thiscall調用約定

C++類的非靜態成員函數必須接收一個主調對象的指針（this指針），并頻繁的使用該指針。編譯器默認使用thiscall調用約定提高調用效率。

參數按照從右向左的順序入棧。

若參數數目固定，this指針通過ECX傳遞，被調函數負責清理堆棧。

若參數數目不固定，this指針在所有參數入棧后再入棧，主調函數清理堆棧。

thiscall不是C++關鍵字，不能用于修飾函數，只能由編譯器使用。

naked call調用約定

naked call調用，編譯器不產生保存和恢復寄存器的代碼。也不能使用return語句。

只能使用內嵌的匯編返回結果。用于某些特殊場合，如非C/C++上下文中的函數，程序員需自行編寫初始化和清棧的內嵌匯編指令。

pascal調用約定

Pascal語言調用約定，參數從右向左入棧。只支持固定數量參數。

被調函數清理堆棧，函數名稱無修飾且全部大寫。

上述約定的特點：

Windows下可直接在函數聲明前添加關鍵字__stdcall、__cdecl或__fastcall等標識確定函數的調用方式，如int __stdcall func()。

Linux下可借用函數attribute 機制，如int attribute((stdcall)) func()。

被調函數CalleeFunc分別聲明為cdecl、stdcall和fastcall約定時，匯編代碼比較：

調用約定影響

不同編譯器產生棧幀的方式不盡相同，主調函數不一定能完成清理堆棧的工作，而被調函數一定可以。

同時，為了保證不同平臺堆棧正常，一般使用stdcall調用。（通常用于A語言調用B語言函數）

此外，主調函數和被調函數采用相同調用約定，但分別使用C和C++時，會出現鏈接錯誤。

這是因為：兩種語言函數名稱修飾符不一樣。解決方法是使用**extern “C”**修飾被調函數。

同時應該考慮，被調函數也有可能是C++編譯的。通常這樣聲明頭文件：

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

x86函數傳遞參數方法

x86處理器的ABI規范中規定，所有參數從右向左壓入棧中。

整型和指針參數傳遞

整型參數與指針參數傳遞方式相同，在32位的x86處理器上整型與指針大小相同（四個字節）。

下表給出這兩種類型在棧幀中位置關系：

浮點參數傳遞

浮點參數的傳遞與整型類似，區別在于參數大小。

x86處理器中浮點類型占8個字節，因此在棧中也需要占8個字節。

下表給出浮點參數在棧中位置關系：

結構體和聯合體參數傳遞

結構體和聯合體的傳遞與整型、浮點型類似，只是占用大小不同。

x86處理器棧寬是4字節，故結構體在棧上大小是4的倍數。

編譯器會對結構體進行適當的填充使得結構體4字節對齊。

對于其它處理器，參數傳遞并不全部通過棧進行。結構體可能通過指針傳遞。

x86函數返回值傳遞方法

函數返回值可通過寄存器傳遞：

1. 若返回值不超過4字節（int、指針），通常保存在EAX中。

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

3. 若返回值為浮點類型（float double），則通過專用的協處理器浮點數寄存器棧的棧頂返回。

4. 若返回值為結構體或聯合體，主調函數額外傳遞一個參數，該參數是一個保存返回值的空間地址。

注意：函數如何保存結構體或聯合體返回值取決于具體實現。

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