压栈, 跳转,执行,返回:从汇编看函数调用

从本篇开始,我们讨论一些高级语言中的基础设施:堆栈,函数调用,变量生命周期等等话题。因为这里本身会涉及到比较多的汇编层面的基础概念。为了向大家说明汇编层的函数调用实现细节,无奈我只能罗列出很多汇编上的概念,因为本文假定读者不需要具有任何汇编知识。我讨厌长篇大论,但本篇的解释可能仍然不够明晰。在此为自己知识的浅薄表示歉意。

1. 从代码的顺序执行说起

每一个程序员脑子里应该都有这么一种印象:“程序是顺序执行的”。这个观点其实和我们开篇所讲的cpu的流水线执行过程直接相关。
让我们再回忆一下脑海中关于函数调用的概念,也许会是这个样子:

Paste_Image.png

这里的“控制流转移”又是如何发生的呢?在解释这个之前,也许我们需要科普一点有关于汇编的知识。

2. 函数调用中的一些细节说明

2.1 函数调用中的关键寄存器

2.1.1 程序计数器PC

程序计数器是一个计算机组成原理中讲过的概念,下面给出一个百度百科中的简单解释

程序计数器是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。
当执行一条指令时,首先需要根据PC中存放的指令地址,将指令由内存取到指令寄存器中,此过程称为“取指令”。与此同时,PC中的地址或自动加1或由转移指针给出下一条指令的地址。此后经过分析指令,执行指令。完成第一条指令的执行,而后根据PC取出第二条指令的地址,如此循环,执行每一条指令。

可以看到,程序计数器是一个cpu执行指令代码过程中的关键寄存器:它指向了当前计算机要执行的指令地址,CPU总是从程序计数器取出当前指令来执行。当指令执行后,程序计数器的值自动增加,指向下一条将要执行的指令。

在x86汇编中,执行程序计数器功能的寄存器被叫做EIP,也叫作指令指针寄存器

2.1.2 基址指针,栈指针和程序栈

栈是程序设计中的一种经典数据结构,每个程序都拥有自己的程序栈。很重要的一点是,栈是向下生长的。所谓向下生长是指从内存高地址->低地址的路径延伸,那么就很明显了,栈有栈底和栈顶,那么栈顶的地址要比栈底低。对x86体系的CPU而言,其中
---> 寄存器ebp(base pointer )可称为“帧指针”或“基址指针”,其实语意是相同的。
---> 寄存器esp(stack pointer)可称为“ 栈指针”。
在C和C++语言中,临时变量分配在栈中,临时变量拥有函数级的生命周期,即“在当前函数中有效,在函数外无效”。这种现象就是函数调用过程中的参数压栈,堆栈平衡所带来的。对于这种实现的细节,我们会在接下来的环节中详细讨论。

2.2. 堆栈平衡

堆栈平衡这个概念指的是函数调完成后,要返还所有使用过的栈空间。这种说法可能有点抽象,我们可以举一个简单的例子来类比:
我们都知道函数的临时变量存放在栈中。那我们来看下面的代码,它是一个很简单的函数,用来交换传入的2个参数的值:

void __stdcall swap(int& a,int& b)
{
  int c = a;
  a = b;
  b = c;
}

我们可以看到,在这个函数中使用了一个临时变量int c;这个变量分配在栈中,我们可以简单的理解为,在声明临时变量c后,我们就向当前的程序栈中压入了一个int值:

int c = a; <==> push(a);   //简单粗暴,临时变量的声明理解为简单地向栈中push一个值。

那现在这个函数swap调用结束了,我们是否需要退栈,把之前临时变量c使用的栈空间返还回去?需要吗?不需要吗?
我们假设不需要,当我们频繁调用swap的时候,会发生什么?每次调用,程序栈都在生长。直到栈满,我们就会收到stack overflow错误,程序挂掉了。
所以为了避免这种乌龙的事情发生,我们需要在函数调用结束后,退栈,把堆栈还原到函数调用前的状态,这些被pop掉的临时变量,自然也就失效了,这也解释了我们一直以来关于临时变量仅在当前函数内有效的认知。其实堆栈平衡这个概念本身比这种粗浅的理解要复杂的多,还应包括压栈参数的平衡,暂时我们可以简单地这样理解,后面再做详细说明。

2.3. 函数的参数传递和调用约定

函数的参数传递是一个参数压栈的过程。函数的所有参数,都会依次被push到栈中。那调用约定有是什么呢?
C和C++程序员应该对所谓的调用约定有一定的印象,就像下面这种代码:

void __stdcall add(int a,int b);

函数声明中的__stdcall就是关于调用约定的声明。其中标准C函数的默认调用约定是__stdcall,C++全局函数和静态成员函数的默认调用约定是__cdecl,类的成员函数的调用约定是__thiscall。剩下的还有__fastcall__naked等。

为什么要用所谓的调用约定?调用约定其实是一种约定方式,它指明了函数调用中的参数传递方式和堆栈平衡方式。

2.3.1 参数传递方式

还是之前那个例子,swap函数有2个参数,int a,int b。这两个参数,入栈的顺序谁先谁后?
其实是从左到右入栈还是从右到左入栈都可以,只要函数调用者和函数内部使用相同的顺序存取参数即可。在上述的所有调用约定中,参数总是从右到左压栈,也就是最后一个参数先入栈。我们可以使用一份伪代码描述这个过程

push b;      //先压入参数b
push a;      //再压入参数a
call swap;  //调用swap函数

其实从这里我们就可以理解为什么在函数内部,不能改变函数外部参数的值:因为函数内部访问到的参数其实是压入栈的变量值,对它的修改只是修改了栈中的"副本"。指针和引用参数才能真正地改变外部变量的值。

2.3.2 堆栈平衡方式

因为函数调用过程中,参数需要压栈,所以在函数调用结束后,用于函数调用的压栈参数也需要退栈。那这个工作是交给调用者完成,还是在函数内部自己完成?其实两种都可以。调用者负责平衡堆栈的主要好处是可以实现可变参数(关于可变参数的话题,在此不做过多讨论。如果可能的话,我们可以以一篇单独的文章来讲这个问题),因为在参数可变的情况下,只有调用者才知道具体的压栈参数有几个。
下面列出了常见调用约定的堆栈平衡方式:

调用约定 堆栈平衡方式
__stdcall 函数自己平衡
__cdecl 调用者负责平衡
__thiscall 调用者负责平衡
__fastcall 调用者负责平衡
__naked 编译器不负责平衡,由编写者自己负责

2.4. 栈帧的概念:从esp和ebp说起

为什么我们需要ebp和esp2个寄存器来访问栈?这种观念其实来自于函数的层级调用:函数A调用函数B,函数B调用函数C,函数C调用函数D...
这种调用可能会涉及非常多的层次。编译器需要保证在这种复杂的嵌套调用中,能够正确地处理每个函数调用的堆栈平衡。所以我们引入了2个寄存器:

  1. ebp指向了本次函数调用开始时的栈顶指针,它也是本次函数调用时的“栈底”(这里的意思是,在一次函数调用中,ebp向下是函数的临时变量使用的空间)。在函数调用开始时,我们会使用
mov ebp,esp 

把当前的esp保存在ebp中。

  1. esp,它指向当前的栈顶,它是动态变化的,随着我们申请更多的临时变量,esp值不断减小(正如前文所说,栈是向下生长的)。
  2. 函数调用结束,我们使用
mov esp,ebp

来还原之前保存的esp。
在函数调用过程中,ebp和esp之间的空间被称为本次函数调用的“栈帧”。函数调用结束后,处于栈帧之前的所有内容都是本次函数调用过程中分配的临时变量,都需要被“返还”。这样在概念上,给了函数调用一个更明显的分界。下图是一个程序运行的某一时刻的栈帧图:

Paste_Image.png

3. 汇编中关于“函数调用”的实现

上面铺陈了很多的汇编层面的概念后,我们终于可以切回到我们本次的主题:函数调用
函数调用其实可以看做4个过程,也就是本篇标题:

  1. 压栈: 函数参数压栈,返回地址压栈
  2. 跳转: 跳转到函数所在代码处执行
  3. 执行: 执行函数代码
  4. 返回: 平衡堆栈,找出之前的返回地址,跳转回之前的调用点之后,完成函数调用

1. call指令 压栈和跳转

下面我们看一下函数调用指令

0x210000 call swap;
0x210005 mov ecx,eax; 

我们可以把它理解为2个指令:

push 0x210005;
jmp swap;

也就是,首先把call指令的下一条指令地址作为本次函数调用的返回地址压栈,然后使用jmp指令修改指令指针寄存器EIP,使cpu执行swap函数的指令代码。

2. ret指令 返回

汇编中有ret相关的指令,它表示取出当前栈顶值,作为返回地址,并将指令指针寄存器EIP修改为该值,实现函数返回。
下面给出一组示意图来演示函数的返回过程:

  1. 当前EIP的值为0x210004,指向指令ret 4,程序需要返回


    Paste_Image.png
  2. 执行ret指令,将当前esp指向的堆栈值当做返回地址,设置eip跳转到此处并弹出该值

Paste_Image.png

经过这两步,函数就返回到了调用处。

4. 从实际汇编代码看函数调用

4.1 程序源码和运行结果

源码:

main.cpp

#include <stdio.h>
 
void __stdcall swap(int& a, int& b);
 
int main(int argc, char* argv)
{
    int a = 1, b = 2;
    printf("before swap: a = %d, b = %d\r\n", a, b);
    swap(a, b);
    printf("after swap: a = %d, b = %d\r\n", a, b);
}
 
 
void __stdcall swap(int& a, int& b)
{
    int c = a;
    a = b;
    b = c;
}

程序运行结果:

Paste_Image.png

4.2 反汇编

Paste_Image.png

Paste_Image.png

可以看到,在函数调用前,函数参数已被压栈,此时:
EBP = 00AFFCAC
ESP = 00AFFBBC
EIP = 00BF1853
我们按F11,进入函数内部,此时:

Paste_Image.png

其实就是call swap指令的下一条指令地址,它就是本次函数调用的返回地址

Paste_Image.png

下面是一个swap函数的详细注释:

Paste_Image.png

当程序运行到ret 8时

Paste_Image.png

执行返回后:

Paste_Image.png

在返回前,ESP = 00AFFBB8,返回后 ESP = 00AFFBC4
0x00AFFBC4 - 0x00AFFBB8 = 0xC
这里的数值是字节数,而我们知道,int是4字节长度。所以0xC/4 = 3
正好是2个压栈参数+一个返回地址。

4.3 调用堆栈

调试程序的时候,我们经常关注的一个点就是VisualStudio显示给我们的“调用堆栈”功能,这次让我们来仔细看一下它:
我们重新执行一次程序,这次我们关注一下vs显示的调用堆栈,如下图

Paste_Image.png

第一行是当前指令地址
第二行是外层调用者,我们双击它,跳转到如下地址:

Paste_Image.png

也许这也是为什么这个功能被叫做“调用堆栈”的原因:它正是通过对程序栈的分析实现的。

5. 结束语

虽然我刻意压缩了很多的内容,但是为了把函数调用在汇编层面的实现问题解释清楚,本篇文章仍然很长。因为有太多的汇编前置知识需要解释,而我有不想脱离这个话题单独去谈论汇编,这样没有什么意义。
本篇作为追根溯源 从C++到汇编系列文章的第一篇“干货”,希望大家喜欢。写了这么多,难免有所疏漏,欢迎大家批评指正。
当然,作为一篇介绍性的文章,内容难免有所删减。比如,本文没有对ret n这种平衡方式做详细解释,也没有对各种汇编代码的含义做解释,还有引用参数的压栈方式,各种调用约定的具体使用情况和区别。当然,限于篇幅,有些东西无法面面俱到。但还是希望大家能够喜欢本篇文章。
你的鼓励,就是我最大的动力。

6. 参考文档

百度百科-程序计数器
c函数调用过程原理及函数栈帧分析

推荐阅读更多精彩内容