GoLang函数栈的使用详细讲解

函数栈帧

我们的代码会被编译成机器指令并写入到可执行文件，当程序执行时，可执行文件被加载到内存，这些机器指令会被存储到虚拟地址空间中的代码段，在代码段内部，指令是低地址向高地址堆积的。堆区存储的是需要程序员手动alloc并free的空间，需要自己来控制。

虚拟内存空间是对存储器的一层抽象，是为了更好的来管理存储器，虚拟内存和存储器之间存在映射关系。

如果在一个函数中调用了另外一个函数，编译器就会对应生成一条call指令，当call指令被执行时，就会跳转到被调用函数入口处开始执行，而每个函数的最后都有一条ret指令，负责在函数结束后跳回到调用处继续执行。

call 指令做了两件事，将下一条指令的地址入栈，这就是IP寄存器中存储的值，第二，跳转到被调用函数入口处执行。

函数执行时需要有足够的内存空间用来存储参数，局部变量，返回值，这块空间对应的就是栈，栈区是从高地址向低地址生长的，且先进后出。分配给函数的栈空间被称为函数栈帧。

C语言中，每个栈帧对应着一个未运行完的函数。栈帧中保存了该函数的返回地址和局部变量。

寄存器

ESP寄存器：ESP即 Extended stack pointer 的缩写，直译过来就是扩展的栈指针寄存器。SP是16位的，ESP是32位的，RSP是64位的，存放的都是栈顶地址。

EBP寄存器：EBP即 Extended base pointer 的缩写，直译过来就是扩展的基址指针寄存器。该指针总是指向当前栈帧的底部。

IP寄存器：指令指针，它指向代码段中的地址，是一个16位专用寄存器，它指向当前需要取出的指令字节，也就是下一个将要执行的指令在代码段中的地址。

eax：累加(Accumulator)寄存器，常用于函数返回值

ebx：基址(Base)寄存器，以它为基址访问内存

ecx：计数器(Counter)寄存器，常用作字符串和循环操作中的计数器

edx：数据(Data)寄存器，常用于乘除法和I/O指针

esi：源地址寄存器

edi：目的地址寄存器

esp：堆栈指针

ebp：栈指针寄存器

当然，以上功能并未限制寄存器的使用，特殊情况为了效率也可作其他用途。

这八个寄存器低16位分别有一个引用别名 ax, bx, cx, dx, bp, si, di, sp,

其中 ax, bx, cx, dx, 的高8位又引用至 ah, bh, ch, dh，低八位引用至 al, bl, cl, dl

在 64-bit 模式下，有16个通用寄存器，但是这16个寄存器是兼容32位模式的，

32位方式下寄存器名分别为 eax, ebx, ecx, edx, edi, esi, ebp, esp, r8d – r15d.

在64位模式下，他们被扩展为 rax, rbx, rcx, rdx, rdi, rsi, rbp, rsp, r8 – r15.

其中 r8 – r15 这八个寄存器是64-bit模式下新加入的寄存器。

我们看到CPU在执行代码段中的指令，而这当中又伴随着内存的分配，于是在函数栈帧上就会有相应的变化。

int add(int a, int b)
{
    int c = 4;
    c = a + b;
    return c;
}
int main()
{
    int a = 1;
    int b = 2;
    int sum = 3;
    sum = add(a, b);
    return 0;
}

生成的汇编代码的方式

1、使用 gcc + objdump

gcc -save-temps -fverbose-asm -g -o b testasm.c
objdump -S --disassemble b > b.objdump

2、使用第三方网站来生成，进入 https://godbolt.org/，选择语言为C，编译器为x86-64 gcc 12.2，粘贴进你的代码，就能看到汇编代码，如下

add:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-20], edi
        mov     DWORD PTR [rbp-24], esi
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 4
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-20]
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-24]
        add     eax, edx
        mov     DWORD PTR [rbp-4], eax
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        pop     rbp
        ret
main:
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     DWORD PTR [rbp-4], 1
        mov     DWORD PTR [rbp-8], 2
        mov     DWORD PTR [rbp-12], 3
        mov     edx, DWORD PTR [rbp-8]
        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
        mov     esi, edx
        mov     edi, eax
        call    add
        mov     DWORD PTR [rbp-12], eax
        mov     eax, 0
        leave
        ret

从main开始解读

// 此时rbp存储的还是上一层函数（调用者）的栈基地址，将rbp的值入栈保存起来，因为main函数也是被其他函
// 数调用的，运行完main之后还得回到那个函数体中去。这里的地址指的是指令的地址，是代码段中的位置。
// push指令会使rsp下移。
push    rbp 
// 此时rbp存储的还是上一个函数的基地址，而rsp则已经游走到了main函数这里，mov指令将rsp中存储的地址传递
// 给rbp，也就意味着执行完之后rbp和rsp都处于main函数的开始位置，称为初始化操作。
mov     rbp, rsp
// rsp下移16，就是分配栈空间
sub     rsp, 16

// DWORD 为双字，即四个字节，PTR为指针的意思，此句意为在rbp向下偏移4个字节的这段栈内存中存储0
// a
mov     DWORD PTR [rbp-4], 1
// b
mov     DWORD PTR [rbp-8], 2
// sum
mov     DWORD PTR [rbp-12], 3
// 将参数从右到左，依次存起来，此处存到了 edx和eax，并拷贝了一份到esi和edi。
mov     edx, DWORD PTR [rbp-8]`
mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]`
mov     esi, edx`
mov     edi, eax`

 // 执行call指令
// 注意，call会使CPU跳入到add的栈帧中去，那么执行完之后，我们需要跳回到被调用处继续向下执行，由
// 最前面的push指令我们已经把调用者的栈基存了下来，可是我们还要精确到具体是回到哪个指令，这就是call
// 指令的额外工作，它会先将IP入栈(push ip)，因为IP中存的就是下一条指令(mov DWORD PTR [rbp-12], eax)
// 的地址，然后再去跳转（jmp），将add函数的第一条指令写入IP，此后就进入add函数栈帧。
call    add

// cpu执行完运算后会将结果存储在寄存器中，至于它会把结果存储在那个寄存器，这个由编译器编译出的指令
// 决定的，由add函数的指令来看，它选择了eax
// rbp-12 为sum的位置，这条指令将eax寄存器的值赋值给sum
mov     DWORD PTR [rbp-12], eax
// 将eax置0，也就是main的返回值
mov     eax, 0
// 意为 mov rsp, rbp 和 pop rbp 的组合
// 此时rbp为main函数的栈基，rsp为main函数的末尾了，将rbp赋值给rsp，于是它们都指向main函数的栈基，上
// 面解释过，rbp寄存器存储的地址指向的栈上的空间存储的还是一个地址，此地址指向调用者的栈基，
// pop rbp 将栈顶rsp的数据送入rbp，就意味着之后就回到了调用者的栈帧了，同时pop会伴随着rsp的上移，
// 于是rsp来到了EIP的位置。
leave
// 相当于 pop ip
// 此函数执行完需要跳回到调用者并继续执行下一条指令，由于call的时候已经将下一条指令的地址入栈了，所以
// 此处值需要将其弹出即可。
ret

到此这篇关于GoLang函数栈的使用详细讲解的文章就介绍到这了,更多相关Go函数栈内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！