理解函数调用原理是每位程序员深入底层系统知识的关键一步。本文将以 x86 体系结构为例，通过具体的汇编代码，揭示函数调用背后的核心机制。
函数调用的本质离不开栈操作、寄存器管理以及特定的硬件指令。下面是一个简单的例子，左边是 C 语言代码，右边是其对应的汇编实现。从汇编层面可以清晰看到，一次完整的函数调用是 call/ret 指令、栈空间管理和特定调用约定三者协同工作的结果。
概括来说，深入理解 x86 的函数调用，主要需要掌握栈（Stack）、call/ret 指令以及调用约定（Calling Convention） 这三个核心部分。
一、栈：函数调用的基础平台
栈是一块遵循“后进先出”规则的内存区域，它是函数调用的基石，主要用于存储局部变量、传递参数、保存返回地址以及恢复调用者上下文。在 x86 架构中，ESP（32位） 或 RSP（64位） 寄存器作为栈顶指针，指向栈的当前位置。对栈的基本操作通过 PUSH（入栈）和 POP（出栈）指令完成。
每个函数在执行时都会在栈上拥有一块专属的内存区域，称为栈帧。EBP（32位） 或 RBP（64位） 寄存器通常被用作栈帧指针，指向当前函数栈帧的起始位置，这为函数内部访问其参数和局部变量提供了便利的基准。
二、call 与 ret：函数跳转的“搭档”指令
x86 提供了两条专为函数调用设计的指令：call 和 ret。
call 指令：它完成两件事。首先，将下一条指令的地址（即返回地址）压入栈顶；随后，跳转到目标函数的起始地址开始执行。ret 指令：它也完成两件事。首先，从当前栈顶弹出返回地址；然后，跳转到该地址继续执行。
call 和 ret 就像一对默契的搭档，一个负责“去”，一个负责“回”，共同保障了程序执行流的正确转移和恢复。
三、调用约定：确保协作的“通信协议”
调用约定是函数调用者与被调用者之间必须遵守的一套规则，它定义了参数如何传递、返回值如何存放、以及由谁来负责清理栈空间等关键问题。这套规则确保了不同模块甚至不同编译器生成的代码能够正确交互。
不同的体系结构、操作系统和编译器可能有不同的调用约定。以 Linux 下 GCC 编译器的 x86-64 位约定（即 System V ABI）为例，其主要规则如下：
- 参数传递：前 6 个整型或指针参数依次使用寄存器 RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9 传递。从第 7 个参数开始，多余参数通过栈传递，顺序为从右向左压栈。
- 返回值：64位及以下的整型返回值使用 RAX 寄存器传递；128位返回值则使用 RDX:RAX 组合（高位在 RDX，低位在 RAX）。
- 栈清理：由调用者负责清理栈上为传递参数所分配的空间。
- 函数序言与尾声：
- 序言：函数开始时通常会执行以下指令建立自己的栈帧。
push rbp ; 保存调用者的栈帧基址
mov rbp, rsp ; 设置当前栈顶为新的栈帧基址
sub rsp, N ; 为局部变量分配栈空间（N为字节数）
- 尾声：函数返回前执行以下指令恢复栈并返回。
mov rsp, rbp ; 恢复栈顶指针，释放局部变量空间
pop rbp ; 恢复调用者的栈帧基址
ret ; 返回到调用者
leave 指令可以替代 mov rsp, rbp 和 pop rbp 这两条指令。
函数调用完整过程示例
理解了以上三个核心概念后，我们可以完整描述一次函数调用的过程。下图以 func1 调用 func2 为例，左侧展示了执行到 func2 内部的栈状态，右侧是对应的汇编代码片段。
- 调用准备：
func1 根据调用约定，将参数放入指定寄存器（例如 RDI, RSI）。若参数超过6个，则将额外参数从右向左压入栈中。
- 发起调用：
func1 执行 call func2。CPU 将返回地址压栈，并跳转到 func2 入口。
- 被调函数执行：
- 建立栈帧：
func2 先通过 push rbp 保存 func1 的栈帧基址，然后 mov rbp, rsp 建立自己的栈帧基址。接着通过 sub rsp, N 为局部变量分配空间，这部分操作正是许多涉及底层算法优化时需要考虑的性能因素之一。
- 函数体执行：执行
func2 的实际功能代码。
- 恢复与返回：执行尾声指令。先将
rbp 值赋给 rsp，恢复栈顶；再 pop rbp，恢复 func1 的栈帧基址；最后执行 ret，弹出返回地址并跳转回 func1 继续执行。
整个过程清晰地展示了栈帧的动态创建与销毁，以及寄存器状态的保存与恢复，是理解程序运行时行为和进行系统级调试的重要基础。 | 
发表于 昨天 00:25
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