C语言函数调用底层实现原理分析

杜冷丁 · 发布于 2023-4-20 11:15:23

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函数中又不时调用其它函数。
程序的每个进程都包括一个调用栈构造（Call Stack）。
调用栈的作用：

寄存器分配

寄存器指CPU中可以停止高速运算的缓冲区。用于寄存程序执行中用到的数据和指令。
Intel 32位构造寄存器（IA32）包含8个通用寄存器，每个寄存器4个字节（32位）。
通用寄存器依照AT&T语法，寄存器名以**%e**开头。
若依照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），标明寄存器大小是32位。
x86_64架构用字母r作为前缀，标明寄存器大小是64位。
ABI协议规定了寄存器、堆栈的使用规则以及参数传送规则。用于约束硬件与系统之间的通信协议。编译器必需依照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。因而，在函数中调用其它函数时，需要考虑到数据的保管与覆盖问题（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，所有函数必需遵守。

主调函数保管寄存器

堆栈

被调函数保管寄存器

堆栈

复原

栈帧构造

注意，程序的栈从高地址向低地址增长！
函数调用由堆栈停止处置，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。
栈帧中保管 传入的参数部分变量和用于返回上一栈帧的信息。
栈帧的边境由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）

被调函数保管寄存器（可选）

部分变量1

部分变量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 -> 被调函数保管寄存器（可选） -> 部分变量 -> 部分变量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，用于复原现场。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，给被调函数部分变量预留空间。
这时候，EBP指向被调函数的栈底，向上是主调函数返回地址，向下是部分变量。该地址还保管主调函数的栈帧基址。
函数调用完毕后，EBP赋值给ESP，使ESP指向被调函数栈底，释放被调函数部分变量。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

函数调用时的详细操作：

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。（缺乏补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端处。
分开（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，即保管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，为部分变量开拓空间，n通常为16的倍数，以便于字节对齐停止编译优化。
push	可选，如有必要，被调函数保管某些寄存器的值（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。部分变量空间被释放，但数据未肃清。
pop %ebp	恢复主调函数栈帧基地址，此时，esp指向返回地址寄存处。
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，详细方式由编译器决定。

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。
方式二是预先开拓空间，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送。函数选择特定调用约定，以特定方式停止参数传送。调用约定还规定在函数调用完毕后，由主调函数还是被调函数对栈停止清理。
函数调用约定包括以下方面：

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。
参数依照从右向左的顺序入栈，主调函数负责清空栈，返回值保管在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，返回值保管在EAX。
stdcall仅适用于参数个数固定的函数，因为被调函数无法晓得栈上参数个数。
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寄存器传送前两个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。返回值保管在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需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调用约定进步伐用效率。
参数依照从右向左的顺序入栈。
若参数数目固定，this指针通过ECX传送，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，编译器不产生保管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。用于某些特殊场所，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
参数表开端特征	“@@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战略。C++函数修饰名以"?“开端，后面紧跟函数名、参数表开端标识和依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>。若参数不超越两个，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，会呈现链接错误。
这是因为：两种语言函数名称修饰符不一样。处置方法是使用**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函数传送参数方法

x86处置器的ABI规范中规定，所有参数从右向左压入栈中。

整型和指针参数传送

整型参数与指针参数传送方式相同，在32位的x86处置器上整型与指针大小相同（四个字节）。
下表给出这两品种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)

浮点参数传送

浮点参数的传送与整型类似，区别在于参数大小。
x86处置器中浮点类型占8个字节，因而在栈中也需要占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)

构造体和结合体参数传送

构造体和结合体的传送与整型、浮点型类似，只是占用大小不同。
x86处置器栈宽是4字节，故构造体在栈上大小是4的倍数。
编译器会对构造体停止适当的填充使得构造体4字节对齐。
对于其它处置器，参数传送并不全部通过栈停止。构造体可能通过指针传送。

x86函数返回值传送方法

函数返回值可通过寄存器传送：

注意：函数如何保管构造体或结合体返回值取决于详细实现。

总结

以上为个人经历，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持网站。