函数调用时底层发生了什么？

来源丨经授权转自 码农的荒岛求生（ID：escape-it）

作者丨码农的荒岛求生

有读者问题函数调用是如何实现的，今天就来聊聊这个比较简单的问题。
大家都应该打包过东西吧，搬家之类的，通常都是找几个箱子一股脑装进去，为了不让箱子占地方，你通常会把它们摞好，就像这样：注意看上面的箱子，最先被打包好的箱子被摞在最下方，刚打包好的箱子总是放在最上方，这就形成了一种first in last out的结构，也就是我们所说的栈，stack，上面的这些箱子就形成了栈。如果你懂得用箱子打包东西，你就能明白函数调用是怎么一回事。原来，在程序运行时每个被调用的函数都有自己的一个箱子，假设这段代码是这样写的：

void D() {}
void C() {
  D();
}
void B() {
    C();
}
void A() {
  B();
}

函数A调用函数B、B调用C、C调用D，那么当函数D在运行时内存中就会有四个箱子，每个函数一个：每个函数占据的这个箱子——也就是这块内存，就被称为栈帧，stack frame，只不过由于引力的作用，我们摞箱子时是从下往上增长，而出于内存布局的需要，函数调用时的栈是从高地址向低地址增长。这些箱子中都装有什么呢？你在函数中定义的局部变量就装在这里，关于栈帧内容更详细的讲解你可以参考这里《函数调用是在内存中是什么样子》，这些不是本文的重点，这里更关心的是这些栈帧是怎样增长以及减少的。仔细观察上面这张图，每个箱子最重要的信息有两个，你至少需要知道箱子的底部以及箱子的顶部在哪里！在计算机中，每个函数栈帧的“底部”和“顶部”的信息——也就是内存地址，分别存放在两个寄存器中：BasePointer(BP)寄存器以及StackPointer(SP)寄存器，即我们熟悉的rbp以及rsp，32位下为ebp以及esp，注意本文以x86_64为例。只要确定了rbp和rsp你就能得到一块栈区，在这块栈区上就可以进行函数调用：读到这里肯定有的同学可能会问，CPU中的寄存器不是有限的吗？从这里的讲解看每个栈帧都需要维护一个“栈顶”与“栈底”的信息，每个核心中的rbp以及rsp寄存器就一个，我们该怎样确保函数运行时相应栈帧使用的rbp以及rsp是正确的呢？方法非常简单，调用函数时会创建新的栈帧，此时需要将原有rbp寄存器中的值保存在新的栈帧上，就像这样：上图就是函数调用时第一件要完成的事情，把rbp的值push到栈上，rsp下移，然后呢？然后也很简单，只需要把rsp指向的地址也赋值给rbp即可，这样就开启了一个新的栈帧：完成上述操作的有两条机器指令(gcc编译器)：

push   %rbp
mov    %rsp,%rbp

如果你去看编译器为每个函数生成的机器指令，那么开头几乎都是这两条指令，现在你应该明白这两条指令的作用了吧。这两条指令就把上一个栈帧的rbp的保存到了新的栈帧，由于此时rsp已经指向了新的栈帧栈顶，由于此时栈为空，因此栈顶和栈底的地址是一样的，可以直接把rsp赋给rbp，这样一个全新的栈帧就创建出来了。如果我们在被调函数内部创建一些局部变量：

void funcB() {
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = 3;
    ...
}

那么此时栈会进一步扩大，并把局部变量存放在该函数的栈帧中：现在我们的栈可以随着函数调用而增长，可以看到，栈帧和你搬家时用的纸箱子还是不太一样的，函数栈帧不会一开始就大小固定好，而是随着指令的执行动态增加，也就是如果你往栈上push一些数据，栈帧就会相应的增大一点。那么函数调用完成时该怎么办呢？这也非常简单，只需要一条机器指令：

leave

我们在上一篇《栈区分配内存快还是堆区分配内存快》中讲解了一部分，leave指令的作用是将栈基址赋值给rsp，这样栈指针指向上一个栈帧的栈顶，然后pop出rbp，这样rbp就指向上一个栈帧的栈底：看到了吧，执行完leave指令后rbp以及rsp就指向了上一个栈帧，这就相当于栈帧的弹出，这样stack 1占用的内存就无效了，没有任何用处了，显然这就是我们常说的内存回收，因此简单的一条leave指令即可把栈区中的内存回收掉。而在x86平台，leave指令后往往跟上一条ret指令：

leave
ret

我们已经了解了leave指令的作用，这条指令让rbp以及rsp指向上一个栈帧，然后呢？显然CPU应该从funcA调用函数funcB之后的一行代码处继续运行，那么这行代码的地址在哪里呢？显然就在funcA栈帧的栈顶：当CPU执行call指令时会把该函数的返回地址push到栈中，而ret指令的作用正是将栈顶弹出(pop)到rip寄存器，rip寄存器告诉CPU接下来该从哪里执行机器指令，这个返回地址是funcA调用funcB时push到栈上的，这样当从函数funcB()返回后我们就知道该从哪里继续执行机器指令了，这就是ret指令的作用，当然这里也是函数调用实现的基本原理。关于栈帧更详细的讲解可以参考我写的这篇《函数调用在内存中是什么样子》。

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