圖解！深入淺出函數(shù)調(diào)用棧
今天來和你聊聊函數(shù)調(diào)用，為什么會想到這個話題，因為最近突然想到，當(dāng)然學(xué)習(xí)C語言的時候遇到的攔路虎——函數(shù)，函數(shù)在我們高中階段的定義可能是有定義域X對應(yīng)到值域Y的一種關(guān)系，而在這類函數(shù)定義中，我們總能拿到一個結(jié)果Y。而一個函數(shù)調(diào)用另一個函數(shù)，這個過程到底是怎么回事呢？
如果你有過程序的調(diào)試經(jīng)歷，你肯定非常熟悉下面這個畫面。這是一個代碼斷點的調(diào)試功能。
可以看到，它是從start方法開始到main方法的，如果我們繼續(xù)往下，main又調(diào)DemoClass的print方法，還能調(diào)其他的方法。那我們打一個斷點就能獲取整個函數(shù)的調(diào)用鏈，這是基于什么原理呢？為什么這個斷點能找到它所在的函數(shù)位置呢？
下面就來一起看看C函數(shù)調(diào)用棧，全文脈絡(luò)。
首先來回顧下一些基礎(chǔ)知識。
前置知識
棧是一種容器，具有后進先出的特性，我們函數(shù)調(diào)用的過程設(shè)計就利用了棧的特性，調(diào)用一個新的函數(shù)時，進行壓棧Push，這個函數(shù)執(zhí)行完進行出棧Pop。 函數(shù)棧幀是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它保存這一個函數(shù)調(diào)用所需的信息，比如參數(shù)，局部變量，返回地址等等。 在32位操作系統(tǒng)進行C函數(shù)調(diào)用時，ESP寄存器總是指向棧頂?shù)刂?，EBP寄存器指向的存儲舊EBP的起始地址。
程序地址空間
先來看張圖。
程序運行時主要分為用戶空間和內(nèi)核空間，我們主要來講講用戶空間。
棧空間：它用于維護函數(shù)調(diào)用的上下文，也就是我們本文的重點，離開了棧，那么函數(shù)調(diào)用就無法實現(xiàn)了。它通常 在用戶空間的的最高地址開始，向下增長，也就是由高往低增長。 堆空間：堆空間是用來容納應(yīng)用程序動態(tài)分配內(nèi)存的區(qū)域，當(dāng)我們用malloc函數(shù)時就是在這片區(qū)域分配內(nèi)存，它是由低地址往高地址增長，也就是向上增長。 可讀可寫區(qū)：這里主要包含程序的data段，以及未初始化的變量段。 只讀區(qū)：這里包含了text段以及rodata段，好像在安卓系統(tǒng)上text段是可寫的，這里有待探究，有深入研究過的讀者可以一起探討。 預(yù)留空間：也叫保留區(qū)，，它不是一個單一的內(nèi)存區(qū)域，而是對內(nèi)存中受保護而禁止訪問區(qū)域的總稱，很小塊。
什么是調(diào)用棧
前置知識中提到了棧其實是一種容器，一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這是我們計算機程序里的重要概念，在技術(shù)系統(tǒng)中，棧則是一個具有容器屬性的動態(tài)內(nèi)存區(qū)域，程序可以將數(shù)據(jù)壓入棧中，也可以出棧。在程序地址空間里也提到棧的空間總是向下增長的。
而函數(shù)調(diào)用棧，是將一個個函數(shù)的所用的信息，稱之為活動記錄或者棧幀，按照調(diào)用的順序依次壓入棧中，等最上層的函數(shù)執(zhí)行完了，就彈出相應(yīng)的棧幀，棧幀主要包括以下幾個內(nèi)容：
函數(shù)的返回地址和參數(shù) 本地變量 調(diào)用前后上下文
前面提到了EBP寄存器指向了一個舊的EBP起始地址，ESP執(zhí)行棧頂，一個棧幀的具體結(jié)構(gòu)如下圖。
上圖，參數(shù)內(nèi)容之后便是當(dāng)前函數(shù)的棧幀，EBP固定執(zhí)行舊的EBP起始地址，而舊的EBP存儲著上一個函數(shù)的執(zhí)行地址，這樣等到末尾出棧之后就能按層級返回上一級函數(shù)了，而ESP總是執(zhí)行棧頂，會隨著函數(shù)的調(diào)用或這些不斷變化。
那么EBP可以用來做什么呢？
根據(jù)上圖，可以很容易想到，EBP可以根據(jù)地址的加減，來獲取響應(yīng)的棧幀內(nèi)容，比如獲取返回地址 ebp-4就是 返回地址，參數(shù)也可以用ebp-8、ebp-12來獲取，為什么是-4呢，我們在開頭約定了是在32位機器下，4個字節(jié)就是32位了。所以EBP寄存器可以用來追蹤我們的函數(shù)調(diào)用鏈，從而定位相關(guān)出錯問題。
調(diào)用過程
上面介紹了調(diào)用棧，這里具體來看看一個函數(shù)調(diào)用鏈的怎么形成的。
根據(jù)棧幀的結(jié)構(gòu)圖，首先將參數(shù)入棧。
執(zhí)行完這個函數(shù)之后，返回回來得接著執(zhí)行，所以要將當(dāng)前指令的下一條指令壓入棧中，然后跳到函數(shù)體執(zhí)行。
將EBP壓入棧中，此時的ebp還是保存著調(diào)用函數(shù)的ebp，也就是Old EBP。
此時EBP其實指向棧頂?shù)?，所以將EBP的值賦給ESP，ESP就指向棧頂了。
在棧區(qū)分配空間，保存old函數(shù)用到的寄存器數(shù)據(jù)。因為被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完之后，要回到之前的函數(shù)執(zhí)行，那么之前函數(shù)用到的數(shù)據(jù)得保護起來，以便于后續(xù)正常執(zhí)行。
被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完，恢復(fù)相關(guān)寄存器數(shù)據(jù)，同時恢復(fù)ESP以前的數(shù)據(jù)，回收分配的空間，以及恢復(fù)EBP的數(shù)據(jù)。
最后從棧幀中取到返回地址，并回到調(diào)用函數(shù)處下一條指令執(zhí)行。
上面的幾個步驟就是一個函數(shù)調(diào)用另一個函數(shù)的過程了，如果是多個函數(shù)調(diào)用，形成一條鏈，也是類似的。
調(diào)用約束
在一個函數(shù)調(diào)用另外一個函數(shù)的時候，有一些數(shù)據(jù)即可以由調(diào)用者保存，也可以有被調(diào)用者保存，那么這個時候其實就出現(xiàn)了兩種約束：調(diào)用者約束和被調(diào)用者約束。
如果在調(diào)用函數(shù)里要使用某個寄存器，可能需要先把它的值保存下來，防止破壞了別的代碼保存在這里的數(shù)據(jù)。這種約定叫做被調(diào)用者約束，也就是使用寄存器的人要保護好寄存器里原有的信息。某個函數(shù)如果使用了某個寄存器，但它又要調(diào)用別的函數(shù)，為了防止別的函數(shù)把自己放在寄存器中的數(shù)據(jù)覆蓋掉，要自己保存在棧楨中。這種約定叫做調(diào)用者約束。
舉例說明
準備代碼
我們這里準備了一個帶有參數(shù)X的函數(shù)test，然后利用main函數(shù)去調(diào)用它。
#include<stdio.h>
int test(int x) {
int a = 10;
int b = 20;
int c = 30;
int d = 40;
return x + a + b + c + d;
}
int main() {
int a = test(0);
printf("a: %d\n",a);
return 0;
}
編譯
利用gcc編譯器，編譯成匯編代碼，因為機器碼我們根本讀不懂，而匯編代碼和CPU指令幾乎是一對一的。相關(guān)編譯指令：
gcc -S -o main.s main.c
變成匯編后的代碼，由于筆者是用蘋果電腦編譯的，所以沒有出現(xiàn)上面提到的EBP這些，rbp可以看成上面提到的 EBP，rsp可以看成ESP。
_test:
pushq %rbp
movq %rsp, %rbp
movl %edi, -4(%rbp)
....
addl -20(%rbp), %eax
popq %rbp
retq
解讀代碼
函數(shù)調(diào)用
上面的匯編代碼我們可以看到第一步：保存了%ebp的值，隨著將%esp的值賦給%ebp，使新的%ebp指向棧頂。
看文字可能不太明確，我們來看一副對比圖。
那其實這是被調(diào)用者做的事情，調(diào)用者也做了兩件事：第一，將被調(diào)用函數(shù)的參數(shù)按照從右到左的順序壓入棧中。第二，將返回地址壓入棧中。這兩件事是調(diào)用者負責(zé)的，所以壓入的棧就屬于調(diào)用者的棧幀。
函數(shù)返回
我們可以注意到最后有一個 retq 指令，它其實就是相當(dāng)于 pop + jum。
它首先將數(shù)據(jù)（返回地址）彈出棧并保存到EIP中，然后處理器根據(jù)這個地址無條件地跳到相應(yīng)位置獲取新的指令。
函數(shù)返回的過程就是調(diào)用ret這個返回指令，將執(zhí)行完的函數(shù)的數(shù)據(jù)在棧中清理干凈，然后回到調(diào)用前的地方繼續(xù)執(zhí)行，上面我們不也提到了，在函數(shù)調(diào)用另一個函數(shù)前會保存下一條執(zhí)行嗎？回來之后就可以繼續(xù)執(zhí)行。
總結(jié)
回到開篇的問題：在debug編譯條件下，編譯器會對代碼進行很多調(diào)試信息的插入操作，這些信息能夠為我們debug提供重要的支持，包括行號等等信息，當(dāng)然也離不開EBP和ESP這兩個在?？臻g最重要的寄存器，我們能夠斷點調(diào)試都是因為編譯器的強大，編譯之美呀。后續(xù)也會和你分享編譯方面的知識，記得長期持有我這只潛力股。
本文從函數(shù)調(diào)用的過程以及原理知識一起探討了C函數(shù)調(diào)用的前前后后，希望對你有所幫助。
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