圖解！深入淺出函數(shù)調(diào)用棧
今天來(lái)和你聊聊函數(shù)調(diào)用，為什么會(huì)想到這個(gè)話(huà)題，因?yàn)樽罱蝗幌氲剑?dāng)然學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的時(shí)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(duì)應(yīng)到值域Y的一種關(guān)系，而在這類(lèi)函數(shù)定義中，我們總能拿到一個(gè)結(jié)果Y。而一個(gè)函數(shù)調(diào)用另一個(gè)函數(shù)，這個(gè)過(guò)程到底是怎么回事呢？
如果你有過(guò)程序的調(diào)試經(jīng)歷，你肯定非常熟悉下面這個(gè)畫(huà)面。這是一個(gè)代碼斷點(diǎn)的調(diào)試功能。
可以看到，它是從start方法開(kāi)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(gè)斷點(diǎn)就能獲取整個(gè)函數(shù)的調(diào)用鏈，這是基于什么原理呢？為什么這個(gè)斷點(diǎn)能找到它所在的函數(shù)位置呢？
下面就來(lái)一起看看C函數(shù)調(diào)用棧，全文脈絡(luò)。
首先來(lái)回顧下一些基礎(chǔ)知識(shí)。
前置知識(shí)
棧是一種容器，具有后進(jìn)先出的特性，我們函數(shù)調(diào)用的過(guò)程設(shè)計(jì)就利用了棧的特性，調(diào)用一個(gè)新的函數(shù)時(shí)，進(jìn)行壓棧Push，這個(gè)函數(shù)執(zhí)行完進(jìn)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(gè)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(jìn)行C函數(shù)調(diào)用時(shí)，ESP寄存器總是指向棧頂?shù)刂?，EBP寄存器指向的存儲(chǔ)舊EBP的起始地址。
程序地址空間
先來(lái)看張圖。
程序運(yùn)行時(shí)主要分為用戶(hù)空間和內(nèi)核空間，我們主要來(lái)講講用戶(hù)空間。
?？臻g：它用于維護(hù)函數(shù)調(diào)用的上下文，也就是我們本文的重點(diǎn)，離開(kāi)了棧，那么函數(shù)調(diào)用就無(wú)法實(shí)現(xiàn)了。它通常 在用戶(hù)空間的的最高地址開(kāi)始，向下增長(zhǎng)，也就是由高往低增長(zhǎng)。 堆空間：堆空間是用來(lái)容納應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的區(qū)域，當(dāng)我們用malloc函數(shù)時(shí)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(zhǎng)，也就是向上增長(zhǎng)。 可讀可寫(xiě)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(xiě)的，這里有待探究，有深入研究過(guò)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(gè)單一的內(nèi)存區(qū)域，而是對(duì)內(nèi)存中受保護(hù)而禁止訪問(wèn)區(qū)域的總稱(chēng)，很小塊。
什么是調(diào)用棧
前置知識(shí)中提到了棧其實(shí)是一種容器，一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這是我們計(jì)算機(jī)程序里的重要概念，在技術(shù)系統(tǒng)中，棧則是一個(gè)具有容器屬性的動(dòng)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(zhǎng)的。
而函數(shù)調(diào)用棧，是將一個(gè)個(gè)函數(shù)的所用的信息，稱(chēng)之為活動(dòng)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(gè)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(gè)舊的EBP起始地址，ESP執(zhí)行棧頂，一個(gè)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(chǔ)著上一個(gè)函數(shù)的執(zhí)行地址，這樣等到末尾出棧之后就能按層級(jí)返回上一級(jí)函數(shù)了，而ESP總是執(zhí)行棧頂，會(huì)隨著函數(shù)的調(diào)用或這些不斷變化。
那么EBP可以用來(lái)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(lái)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(lái)獲取，為什么是-4呢，我們?cè)陂_(kāi)頭約定了是在32位機(jī)器下，4個(gè)字節(jié)就是32位了。所以EBP寄存器可以用來(lái)追蹤我們的函數(shù)調(diào)用鏈，從而定位相關(guān)出錯(cuò)問(wèn)題。
調(diào)用過(guò)程
上面介紹了調(diào)用棧，這里具體來(lái)看看一個(gè)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(gè)函數(shù)之后，返回回來(lái)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(shí)的ebp還是保存著調(diào)用函數(shù)的ebp，也就是Old EBP。
此時(shí)EBP其實(shí)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?yàn)楸徽{(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(hù)起來(lái)，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(shí)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(gè)步驟就是一個(gè)函數(shù)調(diào)用另一個(gè)函數(shù)的過(guò)程了，如果是多個(gè)函數(shù)調(diào)用，形成一條鏈，也是類(lèi)似的。
調(diào)用約束
在一個(gè)函數(shù)調(diào)用另外一個(gè)函數(shù)的時(shí)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(gè)時(shí)候其實(shí)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(gè)寄存器，可能需要先把它的值保存下來(lái)，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(hù)好寄存器里原有的信息。某個(gè)函數(shù)如果使用了某個(gè)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(shuō)明
準(zhǔn)備代碼
我們這里準(zhǔn)備了一個(gè)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?yàn)闄C(jī)器碼我們根本讀不懂，而匯編代碼和CPU指令幾乎是一對(duì)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(píng)果電腦編譯的，所以沒(méi)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(lái)看一副對(duì)比圖。
那其實(shí)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(fù)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(gè) retq 指令，它其實(shí)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(gè)地址無(wú)條件地跳到相應(yīng)位置獲取新的指令。
函數(shù)返回的過(guò)程就是調(diào)用ret這個(gè)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(gè)函數(shù)前會(huì)保存下一條執(zhí)行嗎？回來(lái)之后就可以繼續(xù)執(zhí)行。
總結(jié)
回到開(kāi)篇的問(wèn)題：在debug編譯條件下，編譯器會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行很多調(diào)試信息的插入操作，這些信息能夠?yàn)槲覀僤ebug提供重要的支持，包括行號(hào)等等信息，當(dāng)然也離不開(kāi)EBP和ESP這兩個(gè)在?？臻g最重要的寄存器，我們能夠斷點(diǎn)調(diào)試都是因?yàn)榫幾g器的強(qiáng)大，編譯之美呀。后續(xù)也會(huì)和你分享編譯方面的知識(shí)，記得長(zhǎng)期持有我這只潛力股。
本文從函數(shù)調(diào)用的過(guò)程以及原理知識(shí)一起探討了C函數(shù)調(diào)用的前前后后，希望對(duì)你有所幫助。
end
