函数调用

发表于 2022-01-02 分类于计算机组成原理本文字数： 4.5k 阅读时长 ≈ 4 分钟

函数调用：为什么会发生stack overflow？

Stack Overflow 的名字来自于一个常见的报错，就是栈溢出（stack overflow）。

从程序的函数调用开始，讲讲函数间的相互调用，在计算机指令层面是怎么实现的，以及什么情况下会发生栈溢出这个错误。

为什么我们需要程序栈

我们还是从一个非常简单的 C 程序 function_example.c 看起。

// function_example.c

#include <stdio.h>
int static add(int a, int b)
{
    return a+b;
}


int main()
{
    int x = 5;
    int y = 10;
    int u = add(x, y);
}

这个程序定义了一个简单的函数 add，接受两个参数 a 和 b，返回值就是 a+b。而 main 函数里则定义了两个变量 x 和 y，然后通过调用这个 add 函数，来计算 u=x+y，最后把 u 的数值打印出来。

1 2	$ gcc -g -c function_example.c $ objdump -d -M intel -S function_example.o

我们把这个程序编译之后，objdump 出来。我们来看一看对应的汇编代码。


int static add(int a, int b)
{
   0:   55                      push   rbp
   1:   48 89 e5                mov    rbp,rsp
   4:   89 7d fc                mov    DWORD PTR [rbp-0x4],edi
   7:   89 75 f8                mov    DWORD PTR [rbp-0x8],esi
    return a+b;
   a:   8b 55 fc                mov    edx,DWORD PTR [rbp-0x4]
   d:   8b 45 f8                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
  10:   01 d0                   add    eax,edx
}
  12:   5d                      pop    rbp
  13:   c3                      ret    
0000000000000014 <main>:
int main()
{
  14:   55                      push   rbp
  15:   48 89 e5                mov    rbp,rsp
  18:   48 83 ec 10             sub    rsp,0x10
    int x = 5;
  1c:   c7 45 fc 05 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x5
    int y = 10;
  23:   c7 45 f8 0a 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0xa
    int u = add(x, y);
  2a:   8b 55 f8                mov    edx,DWORD PTR [rbp-0x8]
  2d:   8b 45 fc                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
  30:   89 d6                   mov    esi,edx
  32:   89 c7                   mov    edi,eax
  34:   e8 c7 ff ff ff          call   0 <add>
  39:   89 45 f4                mov    DWORD PTR [rbp-0xc],eax
  3c:   b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
}
  41:   c9                      leave  
  42:   c3                      ret

可以看出，这里的跳转主要是函数调用的call指令。call指令后面跟着的仍然是跳转后的程序地址。

来看 add 函数。可以看到，add 函数编译之后，代码先执行了一条 push 指令和一条 mov 指令；在函数执行结束的时候，又执行了一条 pop 和一条 ret 指令。这四条指令的执行，其实就是在进行我们接下来要讲压栈（Push）和出栈（Pop）操作。

这与if…else 和 for/while 循环的跳转是有区别的，if…else 和 for/while 的跳转，是跳转走了就不再回来了，就在跳转后的新地址开始顺序地执行指令，而函数调用的跳转，在对应函数的指令执行完了之后，还要再回到函数调用的地方，继续执行 call 之后的指令。

可以把调用的函数指令直接插入调用函数的地方，替换掉对应的 c a l l 自立，然后在编译器编译代码时，直接就把函数调用变成对应的指令替换掉。然而，仔细想来，果函数 A 调用了函数 B，然后函数 B 再调用函数 A，我们就得面临在 A 里面插入 B 的指令，然后在 B 里面插入 A 的指令，这样就会产生无穷无尽地替换。就好像两面镜子面对面放在一块儿，任何一面镜子里面都会看到无穷多面镜子。

所以，把被调用函数的指令直接插入在调用处的方法行不通。可不可以专门设立一个“程序调用寄存器”，来存储接下来要跳转回来执行的指令地址。等到函数调用结束，从这寄存器里取出地址，再跳转到这个记录的地址，继续执行就好。

但是在多层函数调用里，简单只记录一个地址也是不够的。我们在调用函数 A 之后，A 还可以调用函数 B，B 还能调用函数 C。这一层又一层的调用并没有数量上的限制。在所有函数调用返回之前，每一次调用的返回地址都要记录下来，但是CPU 里的寄存器的数量并不多，像我们一般使用的 Intel i7 CPU 只有 16 个 64 位寄存器，调用的层数一多就存不下了。

在内存里面开辟一段空间，用栈这个后进先出（LIFO，Last In First Out）的数据结构。栈就像一个乒乓球桶，每次程序调用函数之前，我们都把调用返回后的地址写在一个乒乓球上，然后塞进这个球桶。这个操作其实就是我们常说的压栈。如果函数执行完了，我们就从球桶里取出最上面的那个乒乓球，很显然，这就是出栈。

在真实的程序里，压栈的不只有函数调用完成后的返回地址。比如函数 A 在调用 B 的时候，需要传输一些参数数据，这些参数数据在寄存器不够用的时候也会被压入栈中。整个函数 A 所占用的所有内存空间，就是函数 A 的栈帧（Stack Frame）。Frame 在中文里也有“相框”的意思，所以，每次到这里，我都有种感觉，整个函数 A 所需要的内存空间就像是被这么一个“相框”给框了起来，放在了栈里面。

图中，rbp 是 register base pointer 栈基址寄存器（栈帧指针），指向当前栈帧的栈底地址。rsp 是 register stack pointer 栈顶寄存器（栈指针），指向栈顶元素。

对应上面函数 add 的汇编代码，我们来仔细看看，main 函数调用 add 函数时，add 函数入口在 0～1 行，add 函数结束之后在 12～13 行。

我们在调用第 34 行的 call 指令时，会把当前的 PC 寄存器里的下一条指令的地址压栈，保留函数调用结束后要执行的指令地址。而 add 函数的第 0 行，push rbp 这个指令，就是在进行压栈。这里的 rbp 又叫栈帧指针（Frame Pointer），是一个存放了当前栈帧位置的寄存器。push rbp 就把之前调用函数，也就是 main 函数的栈帧的栈底地址，压到栈顶。

接着，第 1 行的一条命令 mov rbp, rsp 里，则是把 rsp 这个栈指针（Stack Pointer）的值复制到 rbp 里，而 rsp 始终会指向栈顶。这个命令意味着，rbp 这个栈帧指针指向的地址，变成当前最新的栈顶，也就是 add 函数的栈帧的栈底地址了。

而在函数 add 执行完成之后，又会分别调用第 12 行的 pop rbp 来将当前的栈顶出栈，这部分操作维护好了我们整个栈帧。然后，我们可以调用第 13 行的 ret 指令，这时候同时要把 call 调用的时候压入的 PC 寄存器里的下一条指令出栈，更新到 PC 寄存器中，将程序的控制权返回到出栈后的栈顶。

如何构造一个 stack overflow？

通过引入栈，我们可以看到，无论有多少层的函数调用，或者在函数 A 里调用函数 B，再在函数 B 里调用 A，这样的递归调用，我们都只需要通过维持 rbp 和 rsp，这两个维护栈顶所在地址的寄存器，就能管理好不同函数之间的跳转。不过，栈的大小也是有限的。如果函数调用层数太多，我们往栈里压入它存不下的内容，程序在执行的过程中就会遇到栈溢出的错误，这就是大名鼎鼎的“stack overflow”。

要构造一个栈溢出的错误并不困难，最简单的办法，就是我们上面说的 Infiinite Mirror Effect 的方式，让函数 A 调用自己，并且不设任何终止条件。这样一个无限递归的程序，在不断地压栈过程中，将整个栈空间填满，并最终遇上 stack overflow。

比如： 
int a()
{
  return a();
}


int main()
{
  a();
  return 0;
}

如何利用函数内联进行性能优化？

上面我们提到一个方法，把一个实际调用的函数产生的指令，直接插入到的位置，来替换对应的函数调用指令。尽管这个通用的函数调用方案，被我们否决了，但是如果被调用的函数里，没有调用其他函数，这个方法还是可以行得通的。

事实上，这就是一个常见的编译器进行自动优化的场景，我们通常叫函数内联（Inline）。我们只要在 GCC 编译的时候，加上对应的一个让编译器自动优化的参数 -O，编译器就会在可行的情况下，进行这样的指令替换。

来看这样一段代码


#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>

int static add(int a, int b)
{
    return a+b;
}

int main()
{
    srand(time(NULL));
    int x = rand() % 5
    int y = rand() % 10;
    int u = add(x, y)
    printf("u = %d\n", u)
}

在代码的最后加上将 u 通过 printf 打印出来的语句。

1 2	$ gcc -g -c -O function_example_inline.c $ objdump -d -M intel -S function_example_inline.o

面的 function_example_inline.c 的编译出来的汇编代码，没有把 add 函数单独编译成一段指令顺序，而是在调用 u = add(x, y) 的时候，直接替换成了一个 add 指令。

除了依靠编译器的自动优化，你还可以在定义函数的地方，加上 inline 的关键字，来提示编译器对函数进行内联。

内联带来的优化： CPU需要执行的指令数变少了，根据地址跳转的过程不需要了，压栈和出栈的过程也不用了。

不过付出的代价是把可以复用的程序指令在调用它的地方完全展开了。如果一个函数在很多地方都被调用了，意味着整个程序占用的空间就会变大。

这样没有调用其他函数，只会被调用的函数，我们一般称之为叶子函数（或叶子过程）。

总结延伸

主要讲了一个程序的函数间调用，在CPU指令层面是怎么执行的，其中程序栈这个概念一定要记着。

可以方便地通过压栈和出栈操作，使得程序在不同的函数调用过程中进行转移。而函数内联和栈溢出，一个是我们常常可以选择的优化方案，另一个则是我们会常遇到的程序 bug。

通过加入了程序栈，我们相当于在指令跳转的过程中，加入了一个“记忆”的功能，能在跳转去运行新的指令之后，再回到跳出去的位置，能够实现更加丰富和灵活的指令执行流程。这个为我们在程序开发的过程中，提供了“函数”这样一个抽象，使我们在程序开发的过程中，可以复用代码和指令。而不是简单粗暴的复制、粘贴。