函数调用机制例解

函数调用机制例解

      昨天室友拿一个面试题为难我，问我C/C++函数调用是怎么一个流程。这问题实在简单，然而有一本什么面试宝典却说的前后不一，漏洞重重。室友尽信于书，非与我分个高低。单从机制本身来说，公说公有理，婆说婆有理，于是我就用了一个简单的实验才勉强说清楚。在此也顺便总结一下，从汇编的角度介绍一下函数调用过程。

 

      当调用者比如h调用某个函数f时，从编译器或者汇编语言角度来看，主要分以下几个步骤进行：

·                                 h将实参按照从右向左的顺序一个个压入stack中。

·                                 执行一个转移指令call f

·                                 f执行完函数体后，将返回值传入寄存器AX/EAX/RAX中。

·                                 f执行转移指令ret

·                                 h将实参从stack中一个一个弹出。

      由此可见，编译器是不会把“下一条指令地址”压入Stack中的。然而，当从f返回后，CPU是如何知道下一步应该执行什么指令呢？也就是说下一条指令的地址从哪来的呢？这当然还是从stack中获得。那么，这个地址是什么时候放到stack中的？还有，它什么时候从stack中出来的？这些工作是由谁来完成的？是调用者？还是被调用者？这就得先从内存的角度看一下Stack的变化。主是看esp/rsp寄存器的内空以及该地址对应的内存单元的内容。

      

      具体来说，从内存的角度看，函数h调用f时，Stack是按下面步骤发生变化的：

·                                  实参按照从右向左的顺序一个一个进入stack中。

·                                 函数调用指令之后的“下一条指令地址”进入stack中。

·                                 函数f中的局部变量加入到stack中。

·                                 函数f中的局部变量从Stack中弹出。

·                                 “下一条指令地址”从stack中弱出，流入程序计数器寄存器IP中。

·                                 寄存器AX/EAX/RAX中的值流入到stack中h的局部变量（或者全局变量等）中。

·                                 调用函数f时的实参从stack中弹出。

      然而，由于编译器的优化，用较新的编译器将程序翻译成汇编后，这部分逻辑变的比较难懂。如较新的GCC/G++编译器压stack和弹stack的操作都不是用push和pop指令实现的，而是一次性地将ESP/RSP增加一定的数值（分配好实参的空间），然后用MOV指令将参数放入Stack中的，这样速度比较快。老版本的编译器翻译成的汇编比较好懂。

 

      那么，到底是谁将“下一条指令地址”放入stack中的呢？当然是调用者h了。其实这个功能是一条汇编指令call实现的，而不是简单的用push/pop/mov指令实现的。CALL指令的执行可以视为做了以下工作：

·                                 将“下一条指令地址”压入stack。

·                                 改变IP的值为被调用的函数的地址。

      相应地，将“下一条指令取出”的操作是被调用者做的。其实这是RET指令的功能，而不是用PUSH/POP/MOV来实现的。从硬件角度来讲，RET指令也没有什么特别的，它仅仅就是与CALL指令对应的功能相反的指令，与CALL做的工作恰好相反，恢复了IP寄存器，使其指向调用者调用函数之后的“下一条指令的地址”。

 

      想来个直观点的说明，最好还是通过一个小程序。昨天用GCC已经做过测试，由于版本比较新，它做的优化太多了，比如它尽量使用寄存器进行参数传递而非Stack，所以介绍起来比较麻烦。并且GCC使用的AT&T汇编格式比较难懂，还是用WINDOWS下都熟悉的MASM格式的汇编来列一下吧。同时为了清晰，少费点口舌，就用可视化的工具VC++6.0来介绍。

 

      首先，假设程序代码如下（很简单的）：

int f(int a, int b)
{
    return a*b;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int x = 0;
    x = f(5,6);
    ++x;
    return 0;
}

 

      编译完的汇编代码不再列出。对它调度跟踪一下，一切问题都有了着落。比如先把断点设在x=f(5,6)的地方，执行到该位置后，各个寄存器的值如“Resisters”窗口所示，此时的断点以及对应的汇编代码如下：

 

      接着执行，执行到call那条指令时，内存内容及相应寄存器的值如下面的图。Memory窗口显示了当前Stack从顶部开始的内存内容。最顶的是参数5（占4个字节，从低到高），然后是6，这两个是传给f的实参。此时，“下一条指令地址”也就是紧挨着的add指令的地址（0x401078）并没有放到stack中。由此可见，“下一条指令地址”是第一个进栈的这种说法是不对的。

 

 

      然后接着执行，采用step into（VC6.0中对应F11），也就是仅执行call这条指令，而不执行f中的任何指令。执行后如下图。可以看出，此时寄存器ESP的值变了，向下移动了4个字节，也就是stack中新插入了一个4字节的整数（其实它是一个内存地址）。这个新进来的地址是0x00401078,对应main函数中的add那条指令，也调用时的就是“下一条指令地址”。现在很清楚了，将“下一条指令地址压stack”是CALL指令的功能，是硬件干的，而不是软件。

 

 

      然后要说明的就是函数f返回过程了。当程序执行到RETURN语句时，对应的内存和寄存器状态如下。可以看出，RET指令执行之前，“下一条指令地址”还在stack中，同时EAX的值0x1E也就是30就是函数f的返回值。用EAX传递返回值是编译器的一个习惯，能不能说是标准我不太确定。反正GNU系列的编译器和微软的都是这么干的。

 

 

      最后，当f中的RET执行完后，会形成如下格局。与上图对比，会发现，stack顶的值跑到EIP里面去了。stack中仅剩下之前的两个实参！所以，“下一条指令地址”是第一个出栈的，而不是最后一个。接下来的add指令的意思是将ESP加8，其实就是将之前放入stack的两个实参从stack中移除。函数调用也到此结束。