C語言函數(shù)調(diào)用底層實(shí)現(xiàn)原理分析
前言
C語言程序執(zhí)行實(shí)質(zhì)上的函數(shù)的連續(xù)調(diào)用。
運(yùn)行程序時(shí)，系統(tǒng)通過程序入口調(diào)用main函數(shù)，在main函數(shù)中又不斷調(diào)用其它函數(shù)。
程序的每個(gè)進(jìn)程都包括一個(gè)調(diào)用棧結(jié)構(gòu)（Call Stack）。
調(diào)用棧的作用：
- 傳遞函數(shù)參數(shù)
- 保存返回地址
- 臨時(shí)保存寄存器原有值（保存現(xiàn)場(chǎng)）
寄存器分配
寄存器指CPU中可以進(jìn)行高速運(yùn)算的緩沖區(qū)。用于存放程序執(zhí)行中用到的數(shù)據(jù)和指令。
Intel 32位結(jié)構(gòu)寄存器（IA32）包含8個(gè)通用寄存器，每個(gè)寄存器4個(gè)字節(jié)（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(shù)據(jù)寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX
變址寄存器：ESI、EDI
指針寄存器：ESP、EBP
X86架構(gòu)中，EIP寄存器指向下一條待執(zhí)行的命令地址。
ESP是棧指針寄存器，指向當(dāng)前棧幀的棧頂。
EBP是棧幀基址寄存器，指向當(dāng)前棧幀的基地址。
不同架構(gòu)的cpu寄存器名前綴不同。
例如：x86架構(gòu)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(gòu)用字母r作為前綴，表明寄存器大小是64位。
ABI協(xié)議規(guī)定了寄存器、堆棧的使用規(guī)則以及參數(shù)傳遞規(guī)則。用于約束硬件與系統(tǒng)之間的通信協(xié)議。編譯器必須按照ABI給出的寄存器功能定義，將C程序轉(zhuǎn)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(shù)共享的資源。因此，在函數(shù)中調(diào)用其它函數(shù)時(shí)，需要考慮到數(shù)據(jù)的保存與覆蓋問題（即防止被調(diào)函數(shù)直接修改寄存器導(dǎo)致主調(diào)函數(shù)的數(shù)據(jù)被覆蓋）。
IA32采用了統(tǒng)一的寄存器使用約定，所有函數(shù)必須遵守。
- EAX、ECX、EDX為主調(diào)函數(shù)保存寄存器，即在調(diào)用被調(diào)函數(shù)之前，主調(diào)函數(shù)如果希望保存這三個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)，需要將數(shù)據(jù)保存到堆棧中，然后調(diào)用被調(diào)函數(shù)。
- EBX、ESI、EDI是被調(diào)函數(shù)保存寄存器，被調(diào)函數(shù)如果向使用這三個(gè)寄存器，需要先將其中的數(shù)據(jù)保存到堆棧中，然后操作寄存器，最后將堆棧中的數(shù)據(jù)還原。
- EBP和ESP指向當(dāng)前的棧，每個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀。被調(diào)函在返回前，需將主調(diào)函數(shù)的棧幀還原。即恢復(fù)到調(diào)用前的狀態(tài)。
棧幀結(jié)構(gòu)
注意，程序的棧從高地址向低地址增長(zhǎng)！
函數(shù)調(diào)用由堆棧進(jìn)行處理，每個(gè)函數(shù)都單獨(dú)在堆棧中占用一塊連續(xù)的區(qū)域。這塊區(qū)域叫做每個(gè)函數(shù)的棧幀。棧幀是堆棧的邏輯片段。
棧幀中保存 傳入的參數(shù) 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?shù)刂罚ǖ偷刂罚?/strong>。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(shù)調(diào)用棧演示如下：
| 參數(shù)2 |
|---|
| 參數(shù)1 |
| 主調(diào)函數(shù)返回地址（EIP） |
| 主調(diào)函數(shù)棧幀基址（EBP） |
| 被調(diào)函數(shù)保存寄存器（可選） |
| 局部變量1 |
| 局部變量2 |
函數(shù)被調(diào)用時(shí)，壓棧的順序：
參數(shù)2 -> 參數(shù)1 -> 主調(diào)函數(shù)返回地址 -> 主調(diào)函數(shù)棧幀基址 -> 被調(diào)函數(shù)保存寄存器（可選） -> 局部變量 -> 局部變量2
注意，參數(shù)是從右向左依次入棧。
參數(shù)壓棧完成后，緊接著被壓入的是EIP指針?biāo)赶虻牡刂?/strong>，也就是主調(diào)函數(shù)下一個(gè)要執(zhí)行的命令的地址。（用于被調(diào)函數(shù)執(zhí)行完后繼續(xù)執(zhí)行程序）
然后，將主調(diào)函數(shù)EBP棧幀基地址壓入棧幀，用于還原現(xiàn)場(chǎng)。并把ESP賦值給EBP，使EBP成為被調(diào)函數(shù)的棧幀基地址。
繼續(xù)，改變SP的值，給被調(diào)函數(shù)局部變量預(yù)留空間。
這時(shí)候，EBP指向被調(diào)函數(shù)的棧底，向上是主調(diào)函數(shù)返回地址，向下是局部變量。該地址還保存主調(diào)函數(shù)的棧幀基址。
函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，EBP賦值給ESP，使ESP指向被調(diào)函數(shù)棧底，釋放被調(diào)函數(shù)局部變量。再將主調(diào)函數(shù)棧幀基地址彈出給EBP，并彈出返回地址到EIP。
堆棧操作
函數(shù)調(diào)用流程
函數(shù)調(diào)用時(shí)的具體操作：
- 主調(diào)函數(shù)按照約定，將參數(shù)壓入棧中。（x86將參數(shù)壓入棧幀，x86_64具有16個(gè)通用寄存器，前六個(gè)參數(shù)通常由寄存器保存，其余參數(shù)壓入棧中。）
- 主調(diào)函數(shù)將控制權(quán)轉(zhuǎn)給被調(diào)函數(shù)，返回地址（EIP）保存在棧中（在call指令中執(zhí)行）。
- 被調(diào)函數(shù)設(shè)置棧幀基址，即用ESP給EBP賦值。
- 若有必要，保存被調(diào)函數(shù)希望保持的寄存器的數(shù)據(jù)。
- 被調(diào)函數(shù)修改棧頂指針，為局部變量預(yù)留空間。并向低地址方向開始存放局部變量和臨時(shí)變量。
- 被調(diào)函數(shù)執(zhí)行任務(wù)，若被調(diào)函數(shù)返回值，一般存放在EAX中。
- 棧頂指針指向EBP，釋放局部變量空間。
- 恢復(fù)4中保存的主調(diào)函數(shù)寄存器中的數(shù)據(jù)。并恢復(fù)3中的棧幀基址。
- 被調(diào)函數(shù)控制權(quán)交還給主調(diào)函數(shù)（ret指令），也可能清除參數(shù)。
- 主調(diào)函數(shù)得到控制器，可能將棧上的參數(shù)清除。
函數(shù)調(diào)用常用命令
壓棧（push）：棧頂指針減小4個(gè)字節(jié)，以字節(jié)為單位將數(shù)據(jù)壓入棧中。（不足補(bǔ)0）
出棧（pop）：棧頂指針數(shù)據(jù)被取回，ESP增大4個(gè)字節(jié)。
調(diào)用（call）：將EIP（call的下一條指令地址）壓入棧幀，然后EIP指向被調(diào)函數(shù)代碼開始處。
離開（leave）：恢復(fù)主調(diào)函數(shù)棧幀，等價(jià)于 mov ebp esp 、pop ebp
返回（ret）：與call對(duì)應(yīng)，從棧頂彈出返回地址給EIP。繼續(xù)執(zhí)行程序。
C調(diào)用約定典型的函數(shù)序和函數(shù)跋如下：
| 指令序列 | 含義 | |
|---|---|---|
| 函數(shù)序(prologue) | push %ebp | 將主調(diào)函數(shù)?；羔榚bp壓棧，即保存舊棧幀基址以便函數(shù)返回時(shí)恢復(fù)舊棧幀。 |
| mov %esp %ebp | 將主調(diào)函數(shù)棧頂指針賦值給ebp，此時(shí)，ebp執(zhí)行被調(diào)函數(shù)棧幀底部。 | |
| sub %esp | 將棧頂指針下移，為局部變量開辟空間，n通常為16的倍數(shù)，以便于字節(jié)對(duì)齊進(jìn)行編譯優(yōu)化。 | |
| push | 可選，如有必要，被調(diào)函數(shù)保存某些寄存器的值（ebx，edi，esi） | |
| 函數(shù)跋(epilogue) | pop® | 可選，如有必要，被調(diào)函數(shù)恢復(fù)某些寄存器的值（ebx，edi，esi） |
| mov %ebp %esp* | 恢復(fù)主調(diào)函數(shù)棧頂指針esp，將其指向被調(diào)函數(shù)棧底。局部變量空間被釋放，但數(shù)據(jù)未清除。 | |
| pop %ebp | 恢復(fù)主調(diào)函數(shù)棧幀基地址，此時(shí)，esp指向返回地址存放處。 | |
| ret | 從棧中彈出返回地址到eip，繼續(xù)執(zhí)行主調(diào)函數(shù)。再由主調(diào)函數(shù)恢復(fù)棧。 | |
| *：這兩條指令序列也可以由leave實(shí)現(xiàn)，具體方式由編譯器決定。 |
C語言函數(shù)調(diào)用的兩種壓棧方式：
| 壓棧方式一 | 壓棧方式二 |
|---|---|
| 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 |
兩種壓棧方式區(qū)別：
方式一是傳統(tǒng)方式，一個(gè)參數(shù)一個(gè)參數(shù)的壓棧，然后調(diào)用，最后釋放棧。
方式二是預(yù)先開辟空間，然后將參數(shù)復(fù)制到空間，最后沒有回收空間。
函數(shù)調(diào)用約定
創(chuàng)建棧幀最重要的步驟是參數(shù)的傳遞。函數(shù)選擇特定調(diào)用約定，以特定方式進(jìn)行參數(shù)傳遞。調(diào)用約定還規(guī)定在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，由主調(diào)函數(shù)還是被調(diào)函數(shù)對(duì)棧進(jìn)行清理。
函數(shù)調(diào)用約定包括以下方面：
- 函數(shù)參數(shù)傳遞順序和方式
- 棧的維護(hù)方式
- 名字修飾策略
常見調(diào)用約定
cdecl調(diào)用約定
別名 C調(diào)用約定，C/C++編譯器默認(rèn)調(diào)用約定。
所有非C++成員函數(shù)，和未使用stdcall、fastcall聲明的函數(shù)默認(rèn)都是cdecl調(diào)用。
參數(shù)按照從右向左的順序入棧，主調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)清空棧，返回值保存在EAX中。
cdecl調(diào)用支持可變參數(shù)函數(shù)，對(duì)于C函數(shù)，名字修飾是在函數(shù)名前加 _ 。
對(duì)于C++，除非使用**extern"C"**修飾，否則有不同的名字修飾方法。
stdcall調(diào)用約定（微軟命名）
Pascal程序缺省調(diào)用方式，WinAPI也多采用該調(diào)用約定。
參數(shù)從右向左入棧，被調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)清空棧，返回值保存在EAX。
stdcall僅適用于參數(shù)個(gè)數(shù)固定的函數(shù)，因?yàn)楸徽{(diào)函數(shù)無法知道棧上參數(shù)個(gè)數(shù)。
C函數(shù)中，stdcall的名字修飾是在名字前加_，在名字后加@和參數(shù)大小。
fastcall調(diào)用約定
stdcall的變形，通常使用ECX、EDX寄存器傳遞前兩個(gè)DWORD（四字節(jié)雙字）類型或更少的字節(jié)的函數(shù)參數(shù)，其余從右向左入棧。
被調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)清空棧中參數(shù)。返回值保存在EAX中。
函數(shù)名兩邊使用@修飾，并在后面用十進(jìn)制表示參數(shù)列表大?。ㄗ止?jié)）。
thiscall調(diào)用約定
C++類的非靜態(tài)成員函數(shù)必須接收一個(gè)主調(diào)對(duì)象的指針（this指針），并頻繁的使用該指針。編譯器默認(rèn)使用thiscall調(diào)用約定提高調(diào)用效率。
參數(shù)按照從右向左的順序入棧。
若參數(shù)數(shù)目固定，this指針通過ECX傳遞，被調(diào)函數(shù)負(fù)責(zé)清理堆棧。
若參數(shù)數(shù)目不固定，this指針在所有參數(shù)入棧后再入棧，主調(diào)函數(shù)清理堆棧。
thiscall不是C++關(guān)鍵字，不能用于修飾函數(shù)，只能由編譯器使用。
naked call調(diào)用約定
naked call調(diào)用，編譯器不產(chǎn)生保存和恢復(fù)寄存器的代碼。也不能使用return語句。
只能使用內(nèi)嵌的匯編返回結(jié)果。用于某些特殊場(chǎng)合，如非C/C++上下文中的函數(shù)，程序員需自行編寫初始化和清棧的內(nèi)嵌匯編指令。
pascal調(diào)用約定
Pascal語言調(diào)用約定，參數(shù)從右向左入棧。只支持固定數(shù)量參數(shù)。
被調(diào)函數(shù)清理堆棧，函數(shù)名稱無修飾且全部大寫。
上述約定的特點(diǎn)：
| 調(diào)用方式 | stdcall（Win32） | cdecl | fastcall | thiscall（C++） | naked call |
|---|---|---|---|---|---|
| 參數(shù)壓棧順序 | 從右至左 | 從右至左 | 自定義，Arg1在ecx，Arg2在edx | 從右至左，this指針在ecx | 自定義 |
| 參數(shù)位置 | 棧 | 棧 | 棧 + 寄存器 | 棧，寄存器ecx | 自定義 |
| 負(fù)責(zé)清棧函數(shù) | 被調(diào)函數(shù) | 主調(diào)函數(shù) | 被調(diào)函數(shù) | 被調(diào)函數(shù) | 自定義 |
| 支持可變參數(shù) | 否 | 是 | 否 | 否 | 自定義 |
| 函數(shù)名字格式 | _name@number | _name | @name@number | 自定義 | |
| 參數(shù)表開始特征 | “@@YG” | “@@YA” | “@@YI” | 自定義 | |
| 注：C++因支撐函數(shù)重載、命名空間和成員函數(shù)等語法特征，采用更為復(fù)雜的名字修飾策略。C++函數(shù)修飾名以"?“開始，后面緊跟函數(shù)名、參數(shù)表開始標(biāo)識(shí)和按照類型代號(hào)拼出的返回值參數(shù)表。例如，函數(shù)int Function(char *var1,unsigned long)對(duì)應(yīng)的stdcall修飾名為”?Function@@YGHPADK@Z"。 |
Windows下可直接在函數(shù)聲明前添加關(guān)鍵字__stdcall、__cdecl或__fastcall等標(biāo)識(shí)確定函數(shù)的調(diào)用方式，如int __stdcall func()。
Linux下可借用函數(shù)attribute 機(jī)制，如int attribute((stdcall)) func()。
被調(diào)函數(shù)CalleeFunc分別聲明為cdecl、stdcall和fastcall約定時(shí)，匯編代碼比較：
| cdecl | stdcall | fastcall | |
|---|---|---|---|
| 主調(diào)函數(shù)職責(zé) | 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 |
| 被調(diào)函數(shù)職責(zé) | 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 執(zhí)行ret指令并清理參數(shù)占用的堆棧(棧頂指針上移參數(shù)個(gè)數(shù)*4=12個(gè)字節(jié)，以釋放壓棧的參數(shù)) | 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 <壓棧參數(shù)字節(jié)數(shù)>。若參數(shù)不超過兩個(gè)，則ret指令不帶立即數(shù)，因?yàn)闊o參數(shù)被壓棧 |
調(diào)用約定影響
不同編譯器產(chǎn)生棧幀的方式不盡相同，主調(diào)函數(shù)不一定能完成清理堆棧的工作，而被調(diào)函數(shù)一定可以。
同時(shí)，為了保證不同平臺(tái)堆棧正常，一般使用stdcall調(diào)用。（通常用于A語言調(diào)用B語言函數(shù)）
此外，主調(diào)函數(shù)和被調(diào)函數(shù)采用相同調(diào)用約定，但分別使用C和C++時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鏈接錯(cuò)誤。
這是因?yàn)椋簝煞N語言函數(shù)名稱修飾符不一樣。解決方法是使用**extern “C”**修飾被調(diào)函數(shù)。
同時(shí)應(yīng)該考慮，被調(diào)函數(shù)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
}
#endifx86函數(shù)傳遞參數(shù)方法
x86處理器的ABI規(guī)范中規(guī)定，所有參數(shù)從右向左壓入棧中。
整型和指針參數(shù)傳遞
整型參數(shù)與指針參數(shù)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(gè)字節(jié)）。
下表給出這兩種類型在棧幀中位置關(guān)系：
| 調(diào)用語句 | 參數(shù) | 棧幀地址 |
|---|---|---|
| tail(1, 2, 3, (void *)0); | 1 | 8(%ebp) |
| 2 | 12(%ebp) | |
| 3 | 16(%ebp) | |
| (void *)0 | 20(%ebp) |
浮點(diǎn)參數(shù)傳遞
浮點(diǎn)參數(shù)的傳遞與整型類似，區(qū)別在于參數(shù)大小。
x86處理器中浮點(diǎn)類型占8個(gè)字節(jié)，因此在棧中也需要占8個(gè)字節(jié)。
下表給出浮點(diǎn)參數(shù)在棧中位置關(guān)系：
| 調(diào)用語句 | 參數(shù) | 棧幀地址 |
|---|---|---|
| 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) |
結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體參數(shù)傳遞
結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體的傳遞與整型、浮點(diǎn)型類似，只是占用大小不同。
x86處理器棧寬是4字節(jié)，故結(jié)構(gòu)體在棧上大小是4的倍數(shù)。
編譯器會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶畛涫沟?strong>結(jié)構(gòu)體4字節(jié)對(duì)齊。
對(duì)于其它處理器，參數(shù)傳遞并不全部通過棧進(jìn)行。結(jié)構(gòu)體可能通過指針傳遞。
x86函數(shù)返回值傳遞方法
函數(shù)返回值可通過寄存器傳遞：
- 若返回值不超過4字節(jié)（int、指針），通常保存在EAX中。
- 若返回值大于4字節(jié)但不超過8字節(jié)（long long），通常保存在EAX+EDX，EDX保存高4字節(jié)，EAX保存低4字節(jié)。
- 若返回值為浮點(diǎn)類型（float double），則通過專用的協(xié)處理器浮點(diǎn)數(shù)寄存器棧的棧頂返回。
- 若返回值為結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合體，主調(diào)函數(shù)額外傳遞一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)是一個(gè)保存返回值的空間地址。
注意：函數(shù)如何保存結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合體返回值取決于具體實(shí)現(xiàn)。
總結(jié)
以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。
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