函数调用是如何在系统中实现的-以C为例_系统是如何实现函数调用的-优快云博客

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本文详细解析了在32位Linux环境下使用GCC编译器时，函数调用的具体过程及其实现原理，包括参数传递方式、函数栈帧的创建与回收机制等。

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在开发程序中，有很多的函数之间的调用，这些调用是如何在OS中实现的呢，下面试我的理解。

1 首先明确几个概念：

1）系统栈：OS在调用每个进程的时候都会分配相应的堆栈给进程

2）函数栈：在调用每个函数的时候，都会从系统栈中分配相应的栈空间给函数。这个函数栈是如何来确定的呢？通过ESP（栈顶指针）和EBP(栈底指针)来确定的。

3）寄存器：EIP。cpu通过这个寄存器的值来确定下一条所执行的指令。

2 调用过程：

比如有个例子：这个例子是在32位linux用gcc编译的结果.

int bar(int c, int d)
{
	int e = c + d;
	return e;
}

int foo(int a, int b)
{
	return bar(a, b);
}

int main(void)
{
	foo(2, 3);
	return 0;
}

产生的汇编代码如下：

int bar(int c, int d)
{
 8048394:	55                   	push   %ebp
 8048395:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
 8048397:	83 ec 10             	sub    $0x10,%esp
	int e = c + d;
 804839a:	8b 55 0c             	mov    0xc(%ebp),%edx
 804839d:	8b 45 08             	mov    0x8(%ebp),%eax
 80483a0:	01 d0                	add    %edx,%eax
 80483a2:	89 45 fc             	mov    %eax,-0x4(%ebp)
	return e;
 80483a5:	8b 45 fc             	mov    -0x4(%ebp),%eax
}
 80483a8:	c9                   	leave  
 80483a9:	c3                   	ret    

080483aa <foo>:

int foo(int a, int b)
{
 80483aa:	55                   	push   %ebp
 80483ab:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
 80483ad:	83 ec 08             	sub    $0x8,%esp
	return bar(a, b);
 80483b0:	8b 45 0c             	mov    0xc(%ebp),%eax
 80483b3:	89 44 24 04          	mov    %eax,0x4(%esp)
 80483b7:	8b 45 08             	mov    0x8(%ebp),%eax
 80483ba:	89 04 24             	mov    %eax,(%esp)
 80483bd:	e8 d2 ff ff ff       	call   8048394 <bar>
}
 80483c2:	c9                   	leave  
 80483c3:	c3                   	ret    

080483c4 <main>:

int main(void)
{
 80483c4:	8d 4c 24 04          	lea    0x4(%esp),%ecx
 80483c8:	83 e4 f0             	and    $0xfffffff0,%esp
 80483cb:	ff 71 fc             	pushl  -0x4(%ecx)
 80483ce:	55                   	push   %ebp
 80483cf:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
 80483d1:	51                   	push   %ecx
 80483d2:	83 ec 08             	sub    $0x8,%esp
	foo(2, 3);
 80483d5:	c7 44 24 04 03 00 00 	movl   $0x3,0x4(%esp)
 80483dc:	00 
 80483dd:	c7 04 24 02 00 00 00 	movl   $0x2,(%esp)
 80483e4:	e8 c1 ff ff ff       	call   80483aa <foo>
	return 0;
 80483e9:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
}

这个函数的调用过程如下：

1) 调用foo(2,3)之前，把main函数中的临时变量（3，2) 压入堆栈，代码为

 80483d5:	c7 44 24 04 03 00 00 	movl   $0x3,0x4(%esp)
 80483dc:	00 
 80483dd:	c7 04 24 02 00 00 00 	movl   $0x2,(%esp)

2) 调用函数foo,

call   80483aa <foo>

call的作用为：1）EIP值指向call的下一条指令，即return 0, 将这条指令压入堆栈；2）将EIP值指向foo函数的入口处。

所以，再执行完这条指令后， %esp的值会减去4。总的来说这条指令得作用就是将main函数运行的地址压栈，并将运行地址切入到foo函数的开始处。

3）进入foo后的动作如下：

1、将main函数的stack frame 的基址%ebp压栈，并将ebp的地址设为esp；将esp-8留出存放临时变量的栈空间

2 访问main函数中的变量（通过ebp+12和ebp+8），并将这两个值压入foo的函数栈帧中

3 call bar函数。将foo的运行地址压栈

4) 进入函数bar，将foo的函数栈帧的基址ebp压栈

其他动作类似3

5）返回：

leave: 这个指令是将栈顶平衡，回到调用之前的状态。

mov %ebp %esp

pop %ebp

这个指令如下操作：将ebp付给esp，恢复上个函数stack frame的栈顶, 并将存在栈中的上个函数的基址出栈，存入%ebp中

ret；

这个指令一个出栈操作，类似 pop %eip. 将栈中的下一条执行地址放入eip中。CPU通过EIP来确定下一条执行的命令。并且esp+4。

以上基本就是整个函数调用的cpu的执行过程。

堆栈的示意图如下。

函数栈帧示意图

3 总结：

函数调用和返回过程中的这些规则：

参数压栈传递，并且是从右向左依次压栈。
ebp总是指向当前栈帧的栈底。
返回值通过eax寄存器传递。
函数调用前堆栈操作：1) push ebp 2) mov ebp esp 3) sub esp xxx
函数调用恢复堆栈操作：1) mov esp ebp 2) pop ebp 3) ret

以上程序是在linux+gcc的环境下所产生的汇编代码。在64位和其他编译器例如msvc所产生的汇编代码有可能不同。

参考文章：

http://learn.akae.cn/media/ch19s01.html