探索函数调用得本质之旅

Assembly 函数调用流程, 测试Tag Comments

引言

编程人员在日常编码工作中难免会使用一个“工具”来辅助我们实现一些功能。这个“工具”的具体体现大概就是各种各样的函数，也有些语言称它为方法。在调用函数的流程中需要注意几个关键因素：函数名、参数、返回值；其中函数名我们通过阅读一些文档可以了解到，包括其具体实现的功能。这里就后两项作为切入点，利用汇编语言从内存层面简单剖析一下函数调用的实质。

CPU执行指令依据

一个程序被运行，这个被编译、链接后的“指令集”会被加载到运行设备的内存中，等待CPU一条条执行。内存为该程序分配的这段内存空间中，从逻辑角度根据数据功能类分为一个个段（实际上是一整段连续的内存空间），大致分为代码段、数据段、堆栈段、附加段（内存中数据都是二进制数据，对于不同段中数据的不同功能取决于CPU是依据哪类寄存器找到的。比如CS寄存器配合IP寄存器指定的是代码段，DS寄存器配合着通用寄存器指定的是数据段，SS寄存器配合着SP指定的则是栈段）。我们的代码指令被放入代码段，CPU也是首先依据CS:IP找到该段地址并执行其中的内容，函数相关操作则是利用栈段来实现。

函数调用流程

实际编程过程中一些高级语言不需要程序员手动分配栈段大小，这部分工作由编译器来完成。先假设内存中一段空间被分配为栈段，栈段大小确定后，栈底处于地址值最大的位置，当有数据PUSH进来的时候栈顶地址值（由寄存器SP来记录）会随之变小，反之亦反。现在有函数调用执行需要用到这部分空间来完成操作。首先将函数参数push入栈；在使用call命令调用函数名时，会将返回地址push入栈；寄存器BP的值记录着调用该函数的上一级函数的SP值（寄存器BP的功能是用来辅助SP完成栈段的一些操作），此时将BP的值PUSH入栈保存；由于SP的值是随着出入栈的操作一直变化着，这里使用BP来记录此刻SP的值；函数内可能会有类似局部变量等数据需要占用空间，这里需要提前预留指定的空间大小（例如：10个字节）：需要SP的值减10（由于这部分空间可能对于一些函数是不需要的，所以不同平台的编译器的做法也有不同。如图所示可以看出VC++6.0和Xcode处理相同代码的优化区别）；

如果函数内可能会使用到其他寄存器，特别是一些寄存器数量不是很多的平台，这里需要做保护处理，将要用的寄存器之前的值PUSH入栈；在真正实现本函数功能之前还有一个有关安全的操作需要处理，就是讲预留出来的局部变量空间统一填充指定的数据（这里使用CC填充，原因是CC有在系统层面代表着暂定，至少没有意外的危险），因为不确定这段栈段空间之前存过什么数据，可能会有风险。填充的方法就是利用寄存器ES配合着寄存器DI指定这段空间的地址，使用stosw命令反复执行；到此为止，准备工作算是基本完成了，接着就是实现函数功能体部分了，而这部分准备工作实际工作中往往由对应的编译器来完成。执行完业务逻辑代码后，沿着准备阶段相反的流程恢复栈段空间；POP出栈之前受保护的寄存器值；将BP的值赋值给SP来恢复“栈顶指针”SP预留空间之前的值；此时栈顶元素是BP之前存放进来的数值，需要POP出栈给BP寄存器；执行ret命令将函数的返回地址出栈，此时通过修改SP的值至栈底，方法就是增加SP的值（此数值就是之前PUSH进栈参数的字节数）达到恢复栈平衡。假若此函数中又调用了其他函数，从内存角度看的话是继续向内存地址减小的方向叠加数据，操作流程同以上过程，栈段剩余内存空间也会随之相应减少。所以程序如果出现死循环情况，栈段空间迟早会被耗完，所以在使用递归调用函数的时候一定要注意结束条件。

汇编语言描述函数调用流程

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push 参数
call 函数名
push bp
mov bp, sp
sub sp, 10
push ai
使用CC（INT 3）填充局部变量空间
执行业务逻辑
pop ai
mov sp, bp
pop bp
ret
恢复栈平衡

参考文献：

第二章 寄存器；第四章 第一个程序；第十章 CALL和RET指令

汇编语言（第三版）王爽（著）

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