Go 语言函数的栈帧
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【导读】什么是函数栈帧？这个特征是否是开发者在编程中需要关注的点？本文做了详细介绍。
随着函数的层层调用与返回，运行时栈上的函数栈帧也随之分配和释放。实际管理栈帧的是函数自身的代码，就是编译阶段由编译器生成的指令，所以也可以说函数栈帧是由编译器管理的。
栈帧构成
参照下面的函数栈帧布局示意图，从空间分配的角度来看，函数的栈帧包含以下几个部分：
return address：函数的返回地址，占用一个指针大小的空间。实际上是在函数被调用时由 CALL 指令自动压栈的，并非由被调用函数分配； caller’s BP：调用者的栈帧基址，占用一个指针大小的空间，有些情况下会被优化掉。用来将调用路径上所有的栈帧连成一个链表，方便栈回溯之类的操作。函数通过将栈指针 SP 直接向下移动指定大小，来一次性分配 caller’s BP、locals 和 args to callee 所占用的空间，在 x86 架构上就是使用 SUB 指令将 SP 减去指定大小； locals：局部变量区间，占用若干机器字。用来存放函数的局部变量，根据函数的局部变量占用空间大小来分配，没有局部变量的函数不分配； args to callee：调用传参区域，占用若干机器字。分配空间大小，根据当前函数发起的所有的函数调用中，返回值加上参数所占用的空间最大的，按此来分配。没有调用任何函数时，不需要分配该区间。在 callee 视角的 args from caller 区间，包含在 caller 视角的 args to callee 区间内，占用空间大小是小于等于的关系。
综上所述，只有 return address 是一定会存在的，其他 3 个区间都要根据实际情况进行分析。
代码示例
下面就结合实际代码，具体说明函数栈帧各区间的分配和使用情况。编译运行如下示例代码：
package main
func main() {
var v1, v2 int
v3, v4 := f1(v1, v2)
println(&v1, &v2, &v3, &v4)
f2(v3)
}
func f1(a1, a2 int) (r1, r2 int) {
var l1, l2, l3 int
println(&r2, &r1, &a2, &a1, &l1, &l2, &l3)
return
}
func f2(a1 int) {
println(&a1)
}
在笔者使用的 amd64+linux 环境，得到的输出如下所示：
$ go build -gcflags='-l'
$ ./stack_frame
0xc000038750 0xc000038748 0xc000038740 0xc000038738 0xc000038720 0xc000038718 0xc000038710
0xc000038770 0xc000038768 0xc000038760 0xc000038758
0xc000038738
编译时通过指定参数来防止编译器将小函数内联优化掉，那样就不存在真正的栈帧结构了。
3 行输出依次是由 f1、main、f2 中的 println 打印的，所以可以以此为参照，画出栈帧布局图。下面先分别进行梳理：
println
代码里之所以使用 println，而没有使用 fmt.Printf 之类的函数，是因为前者更底层更“简单”，不会造成变量逃逸等问题，所以不会带来不必要的干扰。
实际上，代码中的 println 会被编译器转换为多次调用 runtime 包中的 printlock、printunlock、printpointer、printsp、printnl 函数，前两个函数用来进行并发同步，后 3 个用来打印指针、空格和换行，这 5 个函数均无返回值，只有 printpointer 有一个参数。
例如：
var a, b int
println(&a, &b)
会被转换为：
runtime.printlock() // 获得锁
runtime.printpointer(&a) // 打印指针
runtime.printsp() // 打印空格
runtime.printpointer(&b) // 打印指针
runtime.printnl() // 打印换行
runtime.printunlock() // 释放锁
所以这一组函数调用只需要一个机器字的空间，用来向 printpointer 传参。
栈帧布局
根据以上的示例代码，以及编译运行的输出，对 3 个函数的栈帧上各区间大小进行整理：
| caller’s BP | locals | args to callee | 分配大小 | |
|---|---|---|---|---|
| main | 1 个指针大小 | 4 个 int 大小：v1、v2、v3、v4 | 4 个 int 大小：调用 f1 | 0x48 |
| f1 | 1 个指针大小 | 3 个 int 大小：l1、l2、l3 | 1 个 int 大小：println | 0x28 |
| f2 | 1 个指针大小 | 无 | 1 个 int 大小：println | 0x10 |
对照以上表格，绘制栈帧布局图：
左侧是调用 f1 时的运行时栈，右侧是调用 f2 时的运行时栈。
通过 f1 的调用栈，可以发现函数的返回值和参数是按照先返回值后参数，并且是从右至左的顺序在栈上分配的，与 C 语言时期的参数入栈顺序一致。这是因为 f1 的参数和返回值占满了整个 args to callee 区间。
值得注意的是 f2 的调用栈，在 a1 和 v4 之间是空了 3 个机器字的，因为 Go 语言的函数是固定栈帧大小，args to callee 是按照所需的最大空间来分配。调用函数时，参数和返回值看起来更像是按照先参数后返回值，从左到右的顺序分配在 args to callee 区间里，并且是从低地址开始使用。这点与我们对传统的栈的理解有些不同，更符合传统的栈原理的如 32 位的 VC++编译器，它使用 PUSH 指令动态入栈，args to callee 区间的大小不是固定的。Go 这种固定栈帧大小的分配方式，使得像调试、运行时栈扫描之类更易于实现，但是会造成更大的栈消耗。
函数的参数和返回值的传递，属于“调用约定”的范畴，是 compiler 和 linker 在进行构建时内部遵循的一致性规范。可以参考 C 语言的调用约定，来进行类比学习。
在函数内部访问运行时栈上的返回值、参数和局部变量时，通过栈指针 SP 加上相对偏移来寻址。函数栈帧的结构是编译器生成的，就隐含在函数的代码里面，有兴趣的同学可以自己看一下反编译后的汇编代码，自会一目了然。
转自：fengyoulin
fengyoulin.com/func-stack-frame.html
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