图解！深入浅出函数调用栈
今天来和你聊聊函数调用，为什么会想到这个话题，因为最近突然想到，当然学习C语言的时候遇到的拦路虎——函数，函数在我们高中阶段的定义可能是有定义域X对应到值域Y的一种关系，而在这类函数定义中，我们总能拿到一个结果Y。而一个函数调用另一个函数，这个过程到底是怎么回事呢？
如果你有过程序的调试经历，你肯定非常熟悉下面这个画面。这是一个代码断点的调试功能。
可以看到，它是从start方法开始到main方法的，如果我们继续往下，main又调DemoClass的print方法，还能调其他的方法。那我们打一个断点就能获取整个函数的调用链，这是基于什么原理呢？为什么这个断点能找到它所在的函数位置呢？
下面就来一起看看C函数调用栈，全文脉络。
首先来回顾下一些基础知识。
前置知识
栈是一种容器，具有后进先出的特性，我们函数调用的过程设计就利用了栈的特性，调用一个新的函数时，进行压栈Push，这个函数执行完进行出栈Pop。 函数栈帧是一种数据结构，它保存这一个函数调用所需的信息，比如参数，局部变量，返回地址等等。 在32位操作系统进行C函数调用时，ESP寄存器总是指向栈顶地址，EBP寄存器指向的存储旧EBP的起始地址。
程序地址空间
先来看张图。
程序运行时主要分为用户空间和内核空间，我们主要来讲讲用户空间。
栈空间：它用于维护函数调用的上下文，也就是我们本文的重点，离开了栈，那么函数调用就无法实现了。它通常 在用户空间的的最高地址开始，向下增长，也就是由高往低增长。 堆空间：堆空间是用来容纳应用程序动态分配内存的区域，当我们用malloc函数时就是在这片区域分配内存，它是由低地址往高地址增长，也就是向上增长。 可读可写区：这里主要包含程序的data段，以及未初始化的变量段。 只读区：这里包含了text段以及rodata段，好像在安卓系统上text段是可写的，这里有待探究，有深入研究过的读者可以一起探讨。 预留空间：也叫保留区，，它不是一个单一的内存区域，而是对内存中受保护而禁止访问区域的总称，很小块。
什么是调用栈
前置知识中提到了栈其实是一种容器，一种数据结构。这是我们计算机程序里的重要概念，在技术系统中，栈则是一个具有容器属性的动态内存区域，程序可以将数据压入栈中，也可以出栈。在程序地址空间里也提到栈的空间总是向下增长的。
而函数调用栈，是将一个个函数的所用的信息，称之为活动记录或者栈帧，按照调用的顺序依次压入栈中，等最上层的函数执行完了，就弹出相应的栈帧，栈帧主要包括以下几个内容：
函数的返回地址和参数 本地变量 调用前后上下文
前面提到了EBP寄存器指向了一个旧的EBP起始地址，ESP执行栈顶，一个栈帧的具体结构如下图。
上图，参数内容之后便是当前函数的栈帧，EBP固定执行旧的EBP起始地址，而旧的EBP存储着上一个函数的执行地址，这样等到末尾出栈之后就能按层级返回上一级函数了，而ESP总是执行栈顶，会随着函数的调用或这些不断变化。
那么EBP可以用来做什么呢？
根据上图，可以很容易想到，EBP可以根据地址的加减，来获取响应的栈帧内容，比如获取返回地址 ebp-4就是 返回地址，参数也可以用ebp-8、ebp-12来获取，为什么是-4呢，我们在开头约定了是在32位机器下，4个字节就是32位了。所以EBP寄存器可以用来追踪我们的函数调用链，从而定位相关出错问题。
调用过程
上面介绍了调用栈，这里具体来看看一个函数调用链的怎么形成的。
根据栈帧的结构图，首先将参数入栈。
执行完这个函数之后，返回回来得接着执行，所以要将当前指令的下一条指令压入栈中，然后跳到函数体执行。
将EBP压入栈中，此时的ebp还是保存着调用函数的ebp，也就是Old EBP。
此时EBP其实指向栈顶的，所以将EBP的值赋给ESP，ESP就指向栈顶了。
在栈区分配空间，保存old函数用到的寄存器数据。因为被调用函数执行完之后，要回到之前的函数执行，那么之前函数用到的数据得保护起来，以便于后续正常执行。
被调用函数执行完，恢复相关寄存器数据，同时恢复ESP以前的数据，回收分配的空间，以及恢复EBP的数据。
最后从栈帧中取到返回地址，并回到调用函数处下一条指令执行。
上面的几个步骤就是一个函数调用另一个函数的过程了，如果是多个函数调用，形成一条链，也是类似的。
调用约束
在一个函数调用另外一个函数的时候，有一些数据即可以由调用者保存，也可以有被调用者保存，那么这个时候其实就出现了两种约束：调用者约束和被调用者约束。
如果在调用函数里要使用某个寄存器，可能需要先把它的值保存下来，防止破坏了别的代码保存在这里的数据。这种约定叫做被调用者约束，也就是使用寄存器的人要保护好寄存器里原有的信息。某个函数如果使用了某个寄存器，但它又要调用别的函数，为了防止别的函数把自己放在寄存器中的数据覆盖掉，要自己保存在栈桢中。这种约定叫做调用者约束。
举例说明
准备代码
我们这里准备了一个带有参数X的函数test，然后利用main函数去调用它。
#include<stdio.h>
int test(int x) {
int a = 10;
int b = 20;
int c = 30;
int d = 40;
return x + a + b + c + d;
}
int main() {
int a = test(0);
printf("a: %d\n",a);
return 0;
}
编译
利用gcc编译器，编译成汇编代码，因为机器码我们根本读不懂，而汇编代码和CPU指令几乎是一对一的。相关编译指令：
gcc -S -o main.s main.c
变成汇编后的代码，由于笔者是用苹果电脑编译的，所以没有出现上面提到的EBP这些，rbp可以看成上面提到的 EBP，rsp可以看成ESP。
_test:
pushq %rbp
movq %rsp, %rbp
movl %edi, -4(%rbp)
....
addl -20(%rbp), %eax
popq %rbp
retq
解读代码
函数调用
上面的汇编代码我们可以看到第一步：保存了%ebp的值，随着将%esp的值赋给%ebp，使新的%ebp指向栈顶。
看文字可能不太明确，我们来看一副对比图。
那其实这是被调用者做的事情，调用者也做了两件事：第一，将被调用函数的参数按照从右到左的顺序压入栈中。第二，将返回地址压入栈中。这两件事是调用者负责的，所以压入的栈就属于调用者的栈帧。
函数返回
我们可以注意到最后有一个 retq 指令，它其实就是相当于 pop + jum。
它首先将数据（返回地址）弹出栈并保存到EIP中，然后处理器根据这个地址无条件地跳到相应位置获取新的指令。
函数返回的过程就是调用ret这个返回指令，将执行完的函数的数据在栈中清理干净，然后回到调用前的地方继续执行，上面我们不也提到了，在函数调用另一个函数前会保存下一条执行吗？回来之后就可以继续执行。
总结
回到开篇的问题：在debug编译条件下，编译器会对代码进行很多调试信息的插入操作，这些信息能够为我们debug提供重要的支持，包括行号等等信息，当然也离不开EBP和ESP这两个在栈空间最重要的寄存器，我们能够断点调试都是因为编译器的强大，编译之美呀。后续也会和你分享编译方面的知识，记得长期持有我这只潜力股。
本文从函数调用的过程以及原理知识一起探讨了C函数调用的前前后后，希望对你有所帮助。
end
