C&Golang函数调用过程详解（一）

- 日理万妓 2022-09-14 15:25 222阅读 0赞

在聊C&Golang函数调用过程前，先看看以下几个问题：

1.  不是主要聊goroutine调度原理么？为什么有涉及到C函数调用过程？
2.  CPU是如何从调用者跳转到被调用函数执行的？
3.  参数在调用者和被调用函数之间是如何传递的？
4.  函数局部变量所占内存在栈上是如何分配的？
5.  被调用函数返回值是如何返回给调用者的？
6.  函数执行完毕后需做哪些清理操作？

上述问题是否清楚，对理解goroutine的调度有非常重要的作用，接下来带着上述问题来聊聊C&Golang函数调用过程。

相对于Go，C更接近于硬件，编译后的的汇编代码也更简单直观，更易于让编码人员理解函数调用的基本原理，所以先聊完C中函数调用过程在汇编指令层面的实现原理，在此基础之上，聊Go函数调用过程就简单多了。

根据以下例子分析C中函数调用过程，如下：

#include <stdio.h>// 对参数 a 和 b 求和int sum(int a, int b){
          int s = a + b;   return s;}// main函数：程序入口int main(int argc, char *argv[]){
           int n = sum(1, 2); // 调用sum函数对求和    printf("n: %d\n", n);  //在屏幕输出 n 的值    return 0;}

可用gcc编译上述代码得到可执行程序call，之后使用gdb调试。

在gdb中通过disass main指令反汇编main函数，找到main的第一条指令的所在内存地址【0x0000000000400540】，然后使用b\*0x0000000000400540在该地址打个断点然后执行程序：

bobo@ubuntu:~/study/c$ gdb ./call(gdb) disass mainDump of assembler code for function main:  0x0000000000400540 <+0>:push   %rbp  0x0000000000400541 <+1>:mov   %rsp,%rbp  0x0000000000400544 <+4>:sub   $0x20,%rsp  0x0000000000400548 <+8>:mov   %edi,-0x14(%rbp)  0x000000000040054b <+11>:mov   %rsi,-0x20(%rbp)  0x000000000040054f <+15>:mov   $0x2,%esi  0x0000000000400554 <+20>:mov   $0x1,%edi  0x0000000000400559 <+25>:callq 0x400526 <sum>  0x000000000040055e <+30>:mov   %eax,-0x4(%rbp)  0x0000000000400561 <+33>:mov   -0x4(%rbp),%eax  0x0000000000400564 <+36>:mov   %eax,%esi  0x0000000000400566 <+38>:mov   $0x400604,%edi  0x000000000040056b <+43>:mov   $0x0,%eax  0x0000000000400570 <+48>:callq 0x400400 <printf@plt>  0x0000000000400575 <+53>:mov   $0x0,%eax  0x000000000040057a <+58>:leaveq  0x000000000040057b <+59>:retq  End of assembler dump.(gdb) b *0x0000000000400540Breakpoint 1 at 0x400540(gdb) rStarting program: /home/bobo/study/c/callBreakpoint 1, 0x0000000000400540 in main ()

程序停止在了断点也就是main的第一条指令的位置，再次反汇编一下将要执行的main，来看最前面的三条指令：

(gdb) disassDump of assembler code for function main:=> 0x0000000000400540 <+0>:push   %rbp  0x0000000000400541 <+1>:mov   %rsp,%rbp  0x0000000000400544 <+4>:sub   $0x20,%rsp  ......

上述三条指令一般称为函数序言，基本上每个函数都以函数序言开始，其主要用于保存调用者的rbp寄存器以及为当前函数分配栈空间。

看下gdb输出的反汇编代码的组成部分：

1.  指令地址
2.  指令相对于当前函数起始地址以字节为单位的偏移
3.  指令

以第一行指令【0x0000000000400540 <+0>: push   %rbp】为例，它表示main函数第一条指令【push   %rbp】在内存中的地址为0x0000000000400540，偏移量为0（因为是第一条指令），看个图理解下：

![8e02569fcd94e81e1e9ba56b018f2cf4.png][]

需要说明的是，gdb反汇编的结果输出的指令地址和偏移只是为了易读，存在内存以及被CPU执行的只有上图的指令部分，也就是【push  %rbp】。

上述反汇编结果第一行最左侧有个【=>】符合，它表示的是当前指令是CPU将要执行的下一条指令，寄存器rip中的值为0x0000000000400540，当前的状态就是上一条指令执行完毕，这一条指令还未开始执行，使用i r rbp rsp rip命令看rbp、rsp、rip寄存器中的值结果如下：

(gdb) i r rbp rsp riprbp   0x4005800x400580 <__libc_csu_init>rsp   0x7fffffffe5180x7fffffffe518rip   0x4005400x400540 <main>

根据这些寄存器的值，可推断出当前时刻函数调用栈、rbp、rsp、rip的状态和它们之间的关系，如下图所示：

![73d2145e5adf298178f786033ecd47a8.png][]

寄存器rbp、rsp、rip存放的是内存地址，所以它们各相当于一个指针，由上图可知，rip指向的是main的第一条指令，rsp指向当前函数调用栈的栈顶，其中rbp并未指向重要的栈和指令，所以上图并未画出rbp的具体指向，只是表明了它的值。

接下来模拟CPU从main第一条指令开始，一直到执行完毕。

来看第一条指令。

0x0000000000400540 <+0>:push   %rbp # 保存调用者的rbp寄存器的值

上述指令将栈基地址寄存器rbp的值临时存在main的栈帧中，因为main需要使用rbp来存储自己的栈基地址，调用者也在调用main之前也将其栈基地址存在这个rbp中，所以main需要将这个rbp里面的值先保存起来，等main执行完毕返回时，再将这个rbp恢复原样，如果不恢复原样，main返回后调用者使用这个rbp就会出现问题，因为，在执行调用者的代码时，rbp应该指向调用者的栈，但现在却指向了main的栈。

在执行上述指令之前，代码还在使用调用者的栈帧，执行完毕之后，就开始使用main的栈帧，当前main栈帧里只保存调用者的rbp这一个值，在继续执行下条指令之前，栈和寄存器的状态如下图所示：

![fb9e907bcbd5318b52d1d384dee27dc1.png][]

上图中飘红的指令表示的就是执行完毕的指令。

由上图可知，rsp和rip相较于之前都发生了改变，都指向了新的位置，rsp指向了main栈帧的起始位置，rip指向了main的第二条指令。

在【[常用汇编指令基础，认识一下][Link 1]】一文中聊过，执行push指令会修改rsp的值，但不会修改rip，那为什么这里的rip的值改变了呢？

因为这是CPU自动完成的，CPU知道将要执行的每一条指令有几个字节，如这里的push  %rbp指令只有一个字节长，于是CPU在开始执行这条指令的时候就会将rip进行+1操作，因为执行这条指令之前rip的值为0x400540，+1之后就变成0x400541，也就是说它指向了main的第二条指令。

接下来执行第二条指令。

0x0000000000400541 <+1>:mov   %rsp,%rbp # 调整rbp寄存器，使其指向main函数栈帧的起始位置

上述指令将rsp的值拷贝给了rbp，让其指向了main栈帧的起始位置，这条指令完成后，rsp与rbp的值相同，都指向了main栈帧的起始位置，过程如下图：

![629fa61380f9029dc13ea2486d85c2e1.png][]

再来执行第三条指令。

0x0000000000400544 <+4>:sub   $0x20,%rsp # 调整rsp寄存器的值，为局部和临时变量预留栈空间

上述指令将rsp的值减去32（16进制的0x20）,使其指向了栈空间中一个更低的位置，看似只是简单的修改了rsp的值，实质上却是给main的局部变量和临时变量预留了32（0x20）字节的栈空间。

为什么说是预留而不是分配呢？

因为栈的分配是操作系统自动完成的，程序启动时操作系统就会分配一大块内存作为函数调用栈，至于程序到底使用了多少栈内存则有栈顶寄存器rsp来确定。

上述指令完成后，从rsp所指的位置到rbp所指的位置的这一段栈内存就构成了main的完整栈帧，其大小为40字节（8字节用于保存调用者rsp，32字节用于main局部变量和临时变量的存储），整个过程如下图所示：

![2fe5c257085023251e9d3030fde81758.png][]

之后的四条指令一起执行来看看效果。

0x0000000000400548 <+8>:mov   %edi,-0x14(%rbp)0x000000000040054b <+11>:mov   %rsi,-0x20(%rbp)0x000000000040054f <+15>:mov   $0x2,%esi #sum函数的第2个参数放入esi寄存器0x0000000000400554 <+20>:mov   $0x1,%edi #sum函数的第1个参数放入edi寄存器

前两个指令负责把main得到的两个参数放到main的栈帧中，这里使用了rbp加上偏移量的方式来访问栈内存。

之所以需要保存两个参数，是因为调用者在调用main时使用了edi和rsi来分别给main传递了argc（整数）和argv（指数）两个参数，而main又需要两个寄存器来给sum函数传递参数，为了不覆盖argc（整数）和argv（指数）这两个参数，所以需要将其先存储在栈帧中，然后再将需要传递给sum的两个参数放到edi和rsi中。

后面两条指令在给sum函数准备参数，从指令中可以看出来，传递给sum的第一个参数放在了edi中，第二个参数放在了esi中。

到这里可能会有疑问了，被调用的函数sum如何知道这两个参数分别放在edi和esi中了呢？

说到底这只是一个约定而已。

调用者调用函数时，负责将第一个参数放在rdi，第二个参数放在rsi，而被调用函数则去这两个寄存器中取值。在上述指令中给sum传值的两个参数将值分别放到了edi和esi中，而不是rdi和rsi中，这是因为C中int是32位，rdi和rsi是64位，edi和esi可以分别当做rdi和rsi的一部分来使用。

执行完上述四条指令之后栈和寄存器的状态图如下所示：

![bd97a16c1620a89c74c659a1a37b568d.png][]

上图中argc使用的是图中连续8字节中的高4字节，低4字节未使用。

sum要使用的参数准备好了之后，就可以运行call指令调用sum函数了。

0x0000000000400559 <+25>:callq 0x400526 <sum>  #调用sum函数

call指令比较特殊，刚开始执行它时rip是指向call下一条指令，也就是说rip中此时的值是0x40055e，但在call执行过程中，call会把rip中的0x40055e入栈，然后将rip修改为0x400526，也就是sum的第一条指令地址，这样一来，CPU就会跳到sum去执行。

call指令执行完毕后栈和寄存器的状态图如下所示：

![b1b74db0ae0fff3d91bd71f785dae51d.png][]

从上图中可以看到，rip已经指向了sum函数的第一条指令，sum执行完成返回后需要执行的指令地址0x40055e也存到了main的栈帧之中。

好啦，到这里本文就结束了，喜欢的话就来个三连击吧。

**扫码关注公众号，获取更多优质内容。**

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAbHV5YXJhbg_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

[8e02569fcd94e81e1e9ba56b018f2cf4.png]: /images/20220828/7c1130feb78f41bebdfe599a4eaaf65f.png
[73d2145e5adf298178f786033ecd47a8.png]: /images/20220828/0571d45515b54ea3b302e1c6e81c619d.png
[fb9e907bcbd5318b52d1d384dee27dc1.png]: /images/20220828/d5160370cd0744cb94b5ff9f6f5be3bd.png
[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMTI1OTc2NA==&mid=2247483937&idx=1&sn=8932651da4cc43fc94a365161b93cd96&chksm=9add23baadaaaaaca36766e98f40ffaf493e62dfe044dad8528476c5c78f3215238e1752a1eb&scene=21#wechat_redirect
[629fa61380f9029dc13ea2486d85c2e1.png]: /images/20220828/94996c68464a46139db22d4fdf9a0e4c.png
[2fe5c257085023251e9d3030fde81758.png]: /images/20220828/a9431206006a488e86839410a1e98832.png
[bd97a16c1620a89c74c659a1a37b568d.png]: /images/20220828/030b73248b4947edb8039c7f90a84eb1.png
[b1b74db0ae0fff3d91bd71f785dae51d.png]: /images/20220828/60e0e68ad7ce4ed29c1b452aa8ca1039.png
[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAbHV5YXJhbg_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/27c24ba217c24b90a7f45fa740a4ef73.png