函數幀

這標題一念出來我立刻想到了一個名人：白素貞……當然， 此女與本文無關，下面進入正題：

其實程序運行就好比一幀一幀地放電影，每一幀是一次函數調用，電影放完了，我們就看到結局了。

我們用一個遞歸求解階乘的程序來看看這個放映過程（fac.c）：

#include <stdio.h>

int fac(int n)
{
    if(n <= 1)
        return 1;
    return n * fac(n-1);
}

int main()
{
    int n = 3;
    int ans = fac(n);

    printf("%d! = %d\n", n, ans);
    return 0;
}

main 幀

首先 main 函數被調用（程序可不是從 main 開始執行的）：

main: pushl %ebp movl %esp, %ebp andl $-16, %esp subl $32, %esp movl $3, 28(%esp) # n = 3 movl 28(%esp), %eax movl %eax, (%esp) call fac movl %eax, 24(%esp) # 返回值存入 ans movl $.LC0, %eax movl 24(%esp), %edx movl %edx, 8(%esp) movl 28(%esp), %edx movl %edx, 4(%esp) movl %eax, (%esp) call printf movl $0, %eax leave ret

main 函數創建了一幀：

• 從 esp 到 ebp + 4
• 上邊是本次調用的返回地址、舊的 ebp 指針
• 然後是 main 的局部變量 n、ans
• 最下邊是參數的空間，右上圖顯示的是 main 中調用 printf 前的棧的使用情況

進入 main 函數，前 4 條指令開闢了這片空間， 在退出 main 函數之前的 leave ret 回收了這片空間 （C++ 在回收這片空間之前要析構此函數中的所有局部對象）。 在 main 函數執行期間 ebp 一直指向 幀頂 - 4 的位置， ebp 被稱為幀指針也就是這個原因。

調用慣例

調用函數的時候，先傳參數，然後 call， 具體這個過程怎麼實現有相關規定，這樣的規定被稱為調用慣例， C語言中有多種調用慣例，它們的不同之處在於：

1. 參數是壓棧還是存入寄存器
2. 參數壓棧的次序（從右至左 | 從左至右）
3. 調用完成後是調用者還是被調用者來恢復棧

各種調用慣例《程序員的自我修養》——鏈接、裝載與庫 這本書中有簡要介紹，我照抄後在本文後面列出。C語言默認的 調用慣例是 cdecl：

1. 參數從右至左壓棧
2. 調用完成後調用者負責恢復棧

可以從 printf("%d! = %d\n", n, ans); 的調用過程 中看出。

雖然 VC、gcc 都默認使用 cdecl 調用慣例， 但它們的實現卻各有風格：

• VC 一般是從右至左 push 參數，call，add esp, XXX
• 而 gcc 在給局部變量分配空間的時候也給參數分配了足夠的空間， 所以只要從右至左 mov 參數, XXX(%esp)，call 就可以了， 調用者根本不用去恢復棧，因為傳參數的時候並沒有修改棧指針 esp。

fac 幀

說完調用慣例我們接著來看第一次調用 fac：

fac: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $24, %esp cmpl $1, 8(%ebp) jg .L2 # n > 1 就跳到 .L2 movl $1, %eax jmp .L3 # 無條件跳到 .L3 .L2: movl 8(%ebp), %eax subl $1, %eax movl %eax, (%esp) call fac # fac(n-1) imull 8(%ebp), %eax # eax = n * eax .L3: leave ret

fac(3) 開闢了第一個 fac 幀：

• 從 esp 到 ebp + 4（fac 還能"越界"地讀到參數 n）
• 上邊是 返回地址、舊的 ebp 指針（指向 main 幀）
• fac 沒有局部變量，又浪費了很多字節
• 參數佔了最下邊的 4 字節（需要遞歸時使用）

　這時還不滿足遞歸終止條件，於是fac(3)又遞歸地調用了fac(2)， fac(2)又遞歸的調用了fac(1)，到這個時候棧變成了如下情況：

　　上圖的箭頭的含義很明顯： 從 ebp 可回溯到所有的函數幀， 這是由於每個函數開頭都來兩條 pushl %ebp、movl %esp, %ebp造成的。

　　參數總是調用者寫入，被調用者來讀取（被調用者修改參數毫無意義）， 這是一種默契^_^。

程序繼續運行：

1. fac(1) 滿足了遞歸終止條件，fac(1) 返回 1，fac(1)#3 幀消亡
2. 繼續執行 fac(2)，fac(2) 返回 1*2，fac(2)#2 幀消亡
3. 繼續執行 fac(3)，fac(3) 返回 2*3，fac(1)#1 幀消亡
4. 繼續執行 main，printf 結果，返回 0，main 幀消亡
5. 繼續執行 ？？？（且聽下回分解）

最終程序結束（進程僵死，一會兒後操作系統會來收屍 （回收內存及其他資源））。

小結

　　函數幀保存的是函數的一個完整的局部環境， 保證了函數調用的正確返回（函數幀中有返回地址）、 返回後繼續正確地執行，因此函數幀是 C語言 能調來調去的保障。

主要的調用慣例