本文小编为大家详细介绍“C语言函数调用底层实现原理是什么”，内容详细，步骤清晰，细节处理妥当，希望这篇“C语言函数调用底层实现原理是什么”文章能帮助大家...
本文小编为大家详细介绍“C语言函数调用底层实现原理是什么”，内容详细，步骤清晰，细节处理妥当，希望这篇“C语言函数调用底层实现原理是什么”文章能帮助大家解决疑惑，下面跟着小编的思路慢慢深入，一起来学习新知识吧。
前言
C语言程序执行实质上的函数的连续调用。
运行程序时，系统通过程序入口调用main函数，在main函数中又不断调用其它函数。
程序的每个进程都包括一个调用栈结构（Call Stack）。
调用栈的作用：
传递函数参数
保存返回地址
临时保存寄存器原有值（保存现场）
寄存器分配
寄存器指CPU中可以进行高速运算的缓冲区。用于存放程序执行中用到的数据和指令。
Intel 32位结构寄存器（IA32）包含8个通用寄存器，每个寄存器4个字节（32位）。
通用寄存器按照AT&T语法，寄存器名以**%e**开头。
若按照Intel语法，寄存器名直接按e开头。
通用寄存器包括：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP
数据寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX
变址寄存器：ESI、EDI
指针寄存器：ESP、EBP
X86架构中，EIP寄存器指向下一条待执行的命令地址。
ESP是栈指针寄存器，指向当前栈帧的栈顶。
EBP是栈帧基址寄存器，指向当前栈帧的基地址。
不同架构的cpu寄存器名前缀不同。
例如：x86架构的寄存器用字母e作为前缀（extended），表明寄存器大小是32位。
x86_64架构用字母r作为前缀，表明寄存器大小是64位。
ABI协议规定了寄存器、堆栈的使用规则以及参数传递规则。用于约束硬件与系统之间的通信协议。编译器必须按照ABI给出的寄存器功能定义，将C程序转为汇编程序。
寄存器使用约定
寄存器是唯一能被被所有函数共享的资源。因此，在函数中调用其它函数时，需要考虑到数据的保存与覆盖问题（即防止被调函数直接修改寄存器导致主调函数的数据被覆盖）。
IA32采用了统一的寄存器使用约定，所有函数必须遵守。
EAX、ECX、EDX为主调函数保存寄存器，即在调用被调函数之前，主调函数如果希望保存这三个寄存器的数据，需要将数据保存到堆栈中，然后调用被调函数。
EBX、ESI、EDI是被调函数保存寄存器，被调函数如果向使用这三个寄存器，需要先将其中的数据保存到堆栈中，然后操作寄存器，最后将堆栈中的数据还原。
EBP和ESP指向当前的栈，每个函数对应一个栈帧。被调函在返回前，需将主调函数的栈帧还原。即恢复到调用前的状态。
栈帧结构
注意，程序的栈从高地址向低地址增长！
函数调用由堆栈进行处理，每个函数都单独在堆栈中占用一块连续的区域。这块区域叫做每个函数的栈帧。栈帧是堆栈的逻辑片段。
栈帧中保存 传入的参数 局部变量 和 用于返回上一栈帧的信息。
栈帧的边界由EBP和ESP决定。EBP指向栈帧的底部（高地址），ESP指向栈顶地址（低地址）。ESP可以看作是EBP的偏移量，始终指向栈帧的顶部。
EBP为帧基指针，ESP为栈顶指针。
函数调用栈演示如下：
| 参数2 |
|---|
| 参数1 |
| 主调函数返回地址（EIP） |
| 主调函数栈帧基址（EBP） |
| 被调函数保存寄存器（可选） |
| 局部变量1 |
| 局部变量2 |
函数被调用时，压栈的顺序：
参数2 -> 参数1 -> 主调函数返回地址 -> 主调函数栈帧基址 -> 被调函数保存寄存器（可选） -> 局部变量 -> 局部变量2
注意，参数是从右向左依次入栈。
参数压栈完成后，紧接着被压入的是EIP指针所指向的地址，也就是主调函数下一个要执行的命令的地址。（用于被调函数执行完后继续执行程序）
然后，将主调函数EBP栈帧基地址压入栈帧，用于还原现场。并把ESP赋值给EBP，使EBP成为被调函数的栈帧基地址。
继续，改变SP的值，给被调函数局部变量预留空间。
这时候，EBP指向被调函数的栈底，向上是主调函数返回地址，向下是局部变量。该地址还保存主调函数的栈帧基址。
函数调用结束后，EBP赋值给ESP，使ESP指向被调函数栈底，释放被调函数局部变量。再将主调函数栈帧基地址弹出给EBP，并弹出返回地址到EIP。
堆栈操作
函数调用流程
函数调用时的具体操作：
主调函数按照约定，将参数压入栈中。（x86将参数压入栈帧，x86_64具有16个通用寄存器，前六个参数通常由寄存器保存，其余参数压入栈中。）
主调函数将控制权转给被调函数，返回地址（EIP）保存在栈中（在call指令中执行）。
被调函数设置栈帧基址，即用ESP给EBP赋值。
若有必要，保存被调函数希望保持的寄存器的数据。
被调函数修改栈顶指针，为局部变量预留空间。并向低地址方向开始存放局部变量和临时变量。
被调函数执行任务，若被调函数返回值，一般存放在EAX中。
栈顶指针指向EBP，释放局部变量空间。
恢复4中保存的主调函数寄存器中的数据。并恢复3中的栈帧基址。
被调函数控制权交还给主调函数（ret指令），也可能清除参数。
主调函数得到控制器，可能将栈上的参数清除。
函数调用常用命令
压栈（push）：栈顶指针减小4个字节，以字节为单位将数据压入栈中。（不足补0）
出栈（pop）：栈顶指针数据被取回，ESP增大4个字节。
调用（call）：将EIP（call的下一条指令地址）压入栈帧，然后EIP指向被调函数代码开始处。
离开（leave）：恢复主调函数栈帧，等价于 mov ebp esp 、pop ebp
返回（ret）：与call对应，从栈顶弹出返回地址给EIP。继续执行程序。
C调用约定典型的函数序和函数跋如下：
| 指令序列 | 含义 |
|---|
| 函数序(prologue) | push %ebp | 将主调函数栈基指针ebp压栈，即保存旧栈帧基址以便函数返回时恢复旧栈帧。 |
| mov %esp %ebp | 将主调函数栈顶指针赋值给ebp，此时，ebp执行被调函数栈帧底部。 |
|
| sub %esp | 将栈顶指针下移，为局部变量开辟空间，n通常为16的倍数，以便于字节对齐进行编译优化。 |
|
| push | 可选，如有必要，被调函数保存某些寄存器的值（ebx，edi，esi） |
|
| 函数跋(epilogue) | pop® | 可选，如有必要，被调函数恢复某些寄存器的值（ebx，edi，esi） |
| mov %ebp %esp* | 恢复主调函数栈顶指针esp，将其指向被调函数栈底。局部变量空间被释放，但数据未清除。 |
|
| pop %ebp | 恢复主调函数栈帧基地址，此时，esp指向返回地址存放处。 |
|
| ret | 从栈中弹出返回地址到eip，继续执行主调函数。再由主调函数恢复栈。 |
|
| *：这两条指令序列也可以由leave实现，具体方式由编译器决定。 |
|
|
C语言函数调用的两种压栈方式：
| 压栈方式一 | 压栈方式二 |
|---|
| push 4push 3push 2push 1call CdeclDemoadd $16, %ebp | sub $16, %espmov $4, 12(%esp)mov $3, 8(%esp)mov $2, 4(%esp)mov $1, (%esp)call CdeclDemo |
两种压栈方式区别：
方式一是传统方式，一个参数一个参数的压栈，然后调用，最后释放栈。
方式二是预先开辟空间，然后将参数复制到空间，最后没有回收空间。
函数调用约定
创建栈帧最重要的步骤是参数的传递。函数选择特定调用约定，以特定方式进行参数传递。调用约定还规定在函数调用结束后，由主调函数还是被调函数对栈进行清理。
函数调用约定包括以下方面：
常见调用约定
cdecl调用约定
别名 C调用约定，C/C++编译器默认调用约定。
所有非C++成员函数，和未使用stdcall、fastcall声明的函数默认都是cdecl调用。
参数按照从右向左的顺序入栈，主调函数负责清空栈，返回值保存在EAX中。
cdecl调用支持可变参数函数，对于C函数，名字修饰是在函数名前加 _ 。
对于C++，除非使用**extern"C"**修饰，否则有不同的名字修饰方法。
stdcall调用约定（微软命名）
Pascal程序缺省调用方式，WinAPI也多采用该调用约定。
参数从右向左入栈，被调函数负责清空栈，返回值保存在EAX。
stdcall仅适用于参数个数固定的函数，因为被调函数无法知道栈上参数个数。
C函数中，stdcall的名字修饰是在名字前加_，在名字后加@和参数大小。
fastcall调用约定
stdcall的变形，通常使用ECX、EDX寄存器传递前两个DWORD（四字节双字）类型或更少的字节的函数参数，其余从右向左入栈。
被调函数负责清空栈中参数。返回值保存在EAX中。
函数名两边使用@修饰，并在后面用十进制表示参数列表大小（字节）。
thiscall调用约定
C++类的非静态成员函数必须接收一个主调对象的指针（this指针），并频繁的使用该指针。编译器默认使用thiscall调用约定提高调用效率。
参数按照从右向左的顺序入栈。
若参数数目固定，this指针通过ECX传递，被调函数负责清理堆栈。
若参数数目不固定，this指针在所有参数入栈后再入栈，主调函数清理堆栈。
thiscall不是C++关键字，不能用于修饰函数，只能由编译器使用。
naked call调用约定
naked call调用，编译器不产生保存和恢复寄存器的代码。也不能使用return语句。
只能使用内嵌的汇编返回结果。用于某些特殊场合，如非C/C++上下文中的函数，程序员需自行编写初始化和清栈的内嵌汇编指令。
pascal调用约定
Pascal语言调用约定，参数从右向左入栈。只支持固定数量参数。
被调函数清理堆栈，函数名称无修饰且全部大写。
上述约定的特点：
| 调用方式 | stdcall（Win32） | cdecl | fastcall | thiscall（C++） | naked call |
|---|
| 参数压栈顺序 | 从右至左 | 从右至左 | 自定义，Arg1在ecx，Arg2在edx | 从右至左，this指针在ecx | 自定义 |
| 参数位置 | 栈 | 栈 | 栈 + 寄存器 | 栈，寄存器ecx | 自定义 |
| 负责清栈函数 | 被调函数 | 主调函数 | 被调函数 | 被调函数 | 自定义 |
| 支持可变参数 | 否 | 是 | 否 | 否 | 自定义 |
| 函数名字格式 | _name@number | _name | @name@number |
| 自定义 |
| 参数表开始特征 | “@@YG” | “@@YA” | “@@YI” |
| 自定义 |
| 注：C++因支撑函数重载、命名空间和成员函数等语法特征，采用更为复杂的名字修饰策略。C++函数修饰名以"?“开始，后面紧跟函数名、参数表开始标识和按照类型代号拼出的返回值参数表。例如，函数int Function(char *var1,unsigned long)对应的stdcall修饰名为”?Function@@YGHPADK@Z"。 |
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|
Windows下可直接在函数声明前添加关键字__stdcall、__cdecl或__fastcall等标识确定函数的调用方式，如int __stdcall func()。
Linux下可借用函数attribute 机制，如int attribute((stdcall)) func()。
被调函数CalleeFunc分别声明为cdecl、stdcall和fastcall约定时，汇编代码比较：
| cdecl | stdcall | fastcall |
|---|
| 主调函数职责 | sub $0xc, %espmov $0x33, 0x8(%esp)mov $0x22, 0x4(%esp)mov $0x11,(%esp)call 8048354 | sub $0xc, %espmov $0x33, 0x8(%esp)mov $0x22, 0x4(%esp)mov $0x11,(%esp)call 8048354 sub $0xc, %esp | sub $0x4,%esp movl $0x33,(%esp) mov $0x22,%edx mov $0x11,%ecx call 8048354 sub $0x4,%esp |
| 被调函数职责 | push %ebpmov %ebp %espmov 0xc(%ebp), %eaxadd 0x8(%ebp), %eaxadd 0x10(%ebp), %eaxpop %ebpret | push %ebpmov %ebp %espmov 0xc(%ebp), %eaxadd 0x8(%ebp), %eaxadd 0x10(%ebp), %eaxpop %ebpret $0xc 执行ret指令并清理参数占用的堆栈(栈顶指针上移参数个数*4=12个字节，以释放压栈的参数) | push %ebp mov %esp,%ebp sub $0x8,%esp mov %ecx,0xfffffffc(%ebp) mov %edx,0xfffffff8(%ebp) mov 0xfffffff8(%ebp),%eax add 0xfffffffc(%ebp),%eax add 0x8(%ebp),%eax leave ret $0x4 //ret <压栈参数字节数>。若参数不超过两个，则ret指令不带立即数，因为无参数被压栈 |
调用约定影响
不同编译器产生栈帧的方式不尽相同，主调函数不一定能完成清理堆栈的工作，而被调函数一定可以。
同时，为了保证不同平台堆栈正常，一般使用stdcall调用。（通常用于A语言调用B语言函数）
此外，主调函数和被调函数采用相同调用约定，但分别使用C和C++时，会出现链接错误。
这是因为：两种语言函数名称修饰符不一样。解决方法是使用**extern “C”**修饰被调函数。
同时应该考虑，被调函数也有可能是C++编译的。通常这样声明头文件：
#ifdef _cplusplus
extern "C" {
#endif
type Func(type para);
#ifdef _cplusplus
}
#endifx86函数传递参数方法
x86处理器的ABI规范中规定，所有参数从右向左压入栈中。
整型和指针参数传递
整型参数与指针参数传递方式相同，在32位的x86处理器上整型与指针大小相同（四个字节）。
下表给出这两种类型在栈帧中位置关系：
| 调用语句 | 参数 | 栈帧地址 |
|---|
| tail(1, 2, 3, (void *)0); | 1 | 8(%ebp) |
| 2 | 12(%ebp) |
|
| 3 | 16(%ebp) |
|
| (void *)0 | 20(%ebp) |
|
浮点参数传递
浮点参数的传递与整型类似，区别在于参数大小。
x86处理器中浮点类型占8个字节，因此在栈中也需要占8个字节。
下表给出浮点参数在栈中位置关系：
| 调用语句 | 参数 | 栈帧地址 |
|---|
| tail(1.414, 2, 3.998e10); | word 0: 1.414 | 8(%ebp) |
| word 1: 1.414 | 12(%ebp) |
|
| 2 | 16(%ebp) |
|
| word 0: 3.998e10 | 20(%ebp) |
|
| word 1: 3.998e10 | 24(%ebp) |
|
结构体和联合体参数传递
结构体和联合体的传递与整型、浮点型类似，只是占用大小不同。
x86处理器栈宽是4字节，故结构体在栈上大小是4的倍数。
编译器会对结构体进行适当的填充使得结构体4字节对齐。
对于其它处理器，参数传递并不全部通过栈进行。结构体可能通过指针传递。
x86函数返回值传递方法
函数返回值可通过寄存器传递：
若返回值不超过4字节（int、指针），通常保存在EAX中。
若返回值大于4字节但不超过8字节（long long），通常保存在EAX+EDX，EDX保存高4字节，EAX保存低4字节。
若返回值为浮点类型（float double），则通过专用的协处理器浮点数寄存器栈的栈顶返回。
若返回值为结构体或联合体，主调函数额外传递一个参数，该参数是一个保存返回值的空间地址。
注意：函数如何保存结构体或联合体返回值取决于具体实现。
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