深入了解函数调用与栈

有人把程序员比作魔术师，几行简单的代码就能指示电脑完成各种各样的操作。作为一个合格的魔术师，只有一步一步掌握魔法背后的底层运行原理，才能不断创新，创造出更新、更高效的“魔法”。

在计算机科学中，函数是一个非常重要的概念，而与函数调用密切相关的就是栈。栈如此重要，以至于 CPU 在硬件层面也对它提供了支持。下面我尝试分析一下函数调用和数据栈，水平有限，如有疏漏和错误，欢迎指出。

系统的硬件组成

现代计算机基本遵守冯·诺依曼体系结构，一般来说由 CPU（中央处理器）、主存储器（内存）、I/O 总线以及各种外设组成，如下：

一个程序要运行，主要涉及 CPU 和内存两个设备，而 CPU 通过寄存器（Register）对内存进行操作，也就是进行数据的读取和写入。

Intel IA32 架构下，主要寄存器如下：

寄存器不仅可以存储数据，还可以通过寄存器中的地址访问内存，例如：

movl $0x7c00, %eax    # 在寄存器中存储十六进制的 0x7c00
movl $45, (%eax)      # 把 45 存放到 %eax 中地址所指向的内存中

内存中的栈

对于现代分时操作系统来说，每个进程都会拥有自己独立的地址空间。对于 x86 架构来说，可以简单理解为每个进程都有一套独立的虚拟地址空间：

上图中从上往下第四项为进程栈空间。

栈以**栈帧（Stack Frame）**为基本单位，每进行一次函数调用，通常都会创建一个新的栈帧。在 IA32 架构下，ebp 和 esp 分别可以用来指向当前栈帧的位置。

用汇编语言编写一个 add 函数：

.global add
.type add,@function

add:
    push %ebp
    movl %esp,%ebp

    movl $0,%eax
    addl 8(%ebp),%eax
    addl 12(%ebp),%eax

    pop %ebp
    ret

这里的函数非常简单，它接收两个整数参数，将它们相加后把结果放入 eax 中作为返回值。

编译成 libadd.so：

gcc add.s -fPIC-shared-o libadd.so

然后用 C 语言编写调用程序：

#include <stdio.h>

int add(int a, int b);

int main(){
    int a, b;

    printf("Please Input two numbers:");
    scanf("%d %d", &a, &b);

    int c = add(a, b);

    printf("a+b=%d\n", c);

    return 0;
}

编译并连接：

gcc main.c -o main -ladd -L.

运行：

[root@vultr ~]# ./main
Please Input two numbers:25 100
a+b=125

如果动态链接器没有配置当前目录，则运行时还需要让系统能够找到 libadd.so，例如：

LD_LIBRARY_PATH=. ./main

在 add 函数执行前后，数据栈会发生变化：

可以看到，函数调用本质上就是一个栈帧不断建立和销毁的过程。

在典型的 IA32 调用约定下，执行函数序言之后，ebp 可以作为当前栈帧的基准位置，而函数参数、返回地址、保存的旧 ebp 以及局部变量等数据，都可以通过相对于 ebp 或 esp 的偏移进行访问。

因此，所谓的“函数调用”，并不是一个抽象到无法理解的过程。CPU 实际上是在执行一系列指令，同时配合寄存器和内存中的栈结构，保存当前函数运行所需要的信息，并在函数执行结束之后恢复到调用者继续执行。

参考资料

Randal E. Bryant，《深入理解计算机系统》
深入理解C语言的函数调用过程