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各种调用约定的参数调用

发表于: 2011-06-27   作者:liminled   来源:转载   浏览次数:
摘要: 我们经常会讨论这样的问题:什么时候数据存储在堆栈(Stack)中,什么时候数据存储在堆(Heap)中。我们知道,局部变量是存储在堆栈中的;debug时,查看堆栈可以知道函数的调用顺序;函数调用时传递参数,事实上是把参数压入堆栈,听起来,堆栈象一个大杂烩。那么,堆栈(Stack)到底是如何工作的呢?本文将详解C/C++堆栈的工作机制。阅读时请注意以下几点:   1)本文讨论的语言是VisualC/C

我们经常会讨论这样的问题:什么时候数据存储在堆栈(Stack)中,什么时候数据存储在堆(Heap)中。我们知道,局部变量是存储在堆栈中 的;debug时,查看堆栈可以知道函数的调用顺序;函数调用时传递参数,事实上是把参数压入堆栈,听起来,堆栈象一个大杂烩。那么,堆栈(Stack) 到底是如何工作的呢? 本文将详解C/C++堆栈的工作机制。阅读时请注意以下几点:

    1)本文讨论的语言是 Visual C/C++,由于高级语言的堆栈工作机制大致相同,因此对其他高级语言如C#也有意义。

    2)本文讨论的堆栈,是指程序为每个线程分配的默认堆栈,用以支持程序的运行,而不是指程序员为了实现算法而自己定义的堆栈。

    3)  本文讨论的平台为intel x86。

    4)本文的主要部分将尽量避免涉及到汇编的知识,在本文最后可选章节,给出前面章节的反编译代码和注释。

    5)结构化异常处理也是通过堆栈来实现的(当你使用try…catch语句时,使用的就是c++对windows结构化异常处理的扩展),但是关于结构化异常处理的主题太复杂了,本文将不会涉及到。

从一些基本的知识和概念开始

    1) 程序的堆栈是由处理器直接支持的。在intel x86的系统中,堆栈在内存中是从高地址向低地址扩展(这和自定义的堆栈从低地址向高地址扩展不同),如下图所示:

各种调用约定的参数调用_第1张图片

    因此,栈顶地址是不断减小的,越后入栈的数据,所处的地址也就越低。

    2) 在32位系统中,堆栈每个数据单元的大小为4字节。小于等于4字节的数据,比如字节、字、双字和布尔型,在堆栈中都是占4个字节的;大于4字节的数据在堆栈中占4字节整数倍的空间。

    3) 和堆栈的操作相关的两个寄存器是EBP寄存器和ESP寄存器的,本文中,你只需要把EBP和ESP理解成2个指针就可以了。ESP寄存器总是指向堆栈的栈 顶,执行PUSH命令向堆栈压入数据时,ESP减4,然后把数据拷贝到ESP指向的地址;执行POP命令时,首先把ESP指向的数据拷贝到内存地址/寄存 器中,然后ESP加4。EBP寄存器是用于访问堆栈中的数据的,它指向堆栈中间的某个位置(具体位置后文会具体讲解),函数的参数地址比EBP的值高,而 函数的局部变量地址比EBP的值低,因此参数或局部变量总是通过EBP加减一定的偏移地址来访问的,比如,要访问函数的第一个参数为EBP+8。

    4) 堆栈中到底存储了什么数据? 包括了:函数的参数,函数的局部变量,寄存器的值(用以恢复寄存器),函数的返回地址以及用于结构化异常处理的数据(当函数中有try…catch语句时 才有,本文不讨论)。这些数据是按照一定的顺序组织在一起的,我们称之为一个堆栈帧(Stack Frame)。一个堆栈帧对应一次函数的调用。在函数开始时,对应的堆栈帧已经完整地建立了(所有的局部变量在函数帧建立时就已经分配好空间了,而不是随 着函数的执行而不断创建和销毁的);在函数退出时,整个函数帧将被销毁。

    5) 在文中,我们把函数的调用者称为Caller(调用者),被调用的函数称为Callee(被调用者)。之所以引入这个概念,是因为一个函数帧的建立和清理,有些工作是由Caller完成的,有些则是由Callee完成的。

开始讨论堆栈是如何工作的  

    我们来讨论堆栈的工作机制。堆栈是用来支持函数的调用和执行的,因此,我们下面将通过一组函数调用的例子来讲解,看下面的代码:

 
01 int foo1( int m, int n)
02 {
03      int p=m*n;
04      return p;
05 }
06 int foo( int a, int b)
07 {
08      int c=a+1;
09      int d=b+1;
10      int e=foo1(c,d);
11      return e;
12 }
13    
14 int main()
15 {
16      int result=foo(3,4);
17      return 0;
18 }

    这段代码本身并没有实际的意义,我们只是用它来跟踪堆栈。下面的章节我们来跟踪堆栈的建立,堆栈的使用和堆栈的销毁。

  堆栈的建立

    我们从main函数执行的第一行代码,即int result=foo(3,4); 开始跟踪。这时main以及之前的函数对应的堆栈帧已经存在在堆栈中了,如下图所示:

各种调用约定的参数调用_第2张图片

图1

    参数入栈  

   当foo函数被调用,首先,caller(此时caller为main函数)把foo函数的两个参数:a=3,b=4压入堆栈。参数入栈的顺序是由函数的 调用约定(Calling Convention)决定的,我们将在后面一个专门的章节来讲解调用约定。一般来说,参数都是从左往右入栈的,因此,b=4先压入堆栈,a=3后压入, 如图:

图2

   返回地址入栈

    我们知道,当函数结束时,代码要返回到上一层函数继续执行,那么,函数如何知道该返回到哪个函数的什么位置执行呢?函数被调用时,会自动把下一条指令的地 址压入堆栈,函数结束时,从堆栈读取这个地址,就可以跳转到该指令执行了。如果当前"call foo"指令的地址是0x00171482,由于call指令占5个字节,那么下一个指令的地址为0x00171487,0x00171487将被压入堆 栈:

各种调用约定的参数调用_第3张图片

图3

    代码跳转到被调用函数执行

    返回地址入栈后,代码跳转到被调用函数foo中执行。到目前为止,堆栈帧的前一部分,是由caller构建的;而在此之后,堆栈帧的其他部分是由callee来构建。

   EBP指针入栈

    在foo函数中,首先将EBP寄存器的值压入堆栈。因为此时EBP寄存器的值还是用于main函数的,用来访问main函数的参数和局部变量的,因此需要将它暂存在堆栈中,在foo函数退出时恢复。同时,给EBP赋于新值。

    1)将EBP压入堆栈

    2)把ESP的值赋给EBP

各种调用约定的参数调用_第4张图片

图4

    这样一来,我们很容易发现当前EBP寄存器指向的堆栈地址就是EBP先前值的地址,你还会发现发现,EBP+4的地址就是函数返回值的地址,EBP+8就 是函数的第一个参数的地址(第一个参数地址并不一定是EBP+8,后文中将讲到)。因此,通过EBP很容易查找函数是被谁调用的或者访问函数的参数(或局 部变量)。

    为局部变量分配地址

    接着,foo函数将为局部变量分配地址。程序并不是将局部变量一个个压入堆栈的,而是将ESP减去某个值,直接为所有的局部变量分配空间,比如在foo函数中有ESP=ESP-0x00E4,如图所示:

各种调用约定的参数调用_第5张图片

图5

     奇怪的是,在debug模式下,编译器为局部变量分配的空间远远大于实际所需,而且局部变量之间的地址不是连续的(据我观察,总是间隔8个字节)如下图所示:

  各种调用约定的参数调用_第6张图片

图6

    我还不知道编译器为什么这么设计,或许是为了在堆栈中插入调试数据,不过这无碍我们今天的讨论。

通用寄存器入栈

     最后,将函数中使用到的通用寄存器入栈,暂存起来,以便函数结束时恢复。在foo函数中用到的通用寄存器是EBX,ESI,EDI,将它们压入堆栈,如图所示:

各种调用约定的参数调用_第7张图片

图7

   至此,一个完整的堆栈帧建立起来了。

 

堆栈特性分析

   上一节中,一个完整的堆栈帧已经建立起来,现在函数可以开始正式执行代码了。本节我们对堆栈的特性进行分析,有助于了解函数与堆栈帧的依赖关系。

   1)一个完整的堆栈帧建立起来后,在函数执行的整个生命周期中,它的结构和大小都是保持不变的;不论函数在什么时候被谁调用,它对应的堆栈帧的结构也是一定的。

   2)在A函数中调用B函数,对应的,是在A函数对应的堆栈帧“下方”建立B函数的堆栈帧。例如在foo函数中调用foo1函数,foo1函数的堆栈帧将在foo函数的堆栈帧下方建立。如下图所示:

image 图8 

  3)函数用EBP寄存器来访问参数和局部变量。我们知道,参数的地址总是比EBP的值高,而局部变量的地址总是比EBP的值低。而在特定的堆栈帧中,每个 参数或局部变量相对于EBP的地址偏移总是固定的。因此函数对参数和局部变量的的访问是通过EBP加上某个偏移量来访问的。比如,在foo函数 中,EBP+8为第一个参数的地址,EBP-8为第一个局部变量的地址。

   4)如果仔细思考,我们很容易发现EBP寄存器还有一个非常重要的特性,请看下图中:

各种调用约定的参数调用_第8张图片

图9

   我们发现,EBP寄存器总是指向先前的EBP,而先前的EBP又指向先前的先前的EBP,这样就在堆栈中形成了一个链表!这个特性有什么用呢,我们知道 EBP+4地址存储了函数的返回地址,通过该地址我们可以知道当前函数的上一级函数(通过在符号文件中查找距该函数返回地址最近的函数地址,该函数即当前 函数的上一级函数),以此类推,我们就可以知道当前线程整个的函数调用顺序。事实上,调试器正是这么做的,这也就是为什么调试时我们查看函数调用顺序时总 是说“查看堆栈”了。

返回值是如何传递的

    堆栈帧建立起后,函数的代码真正地开始执行,它会操作堆栈中的参数,操作堆栈中的局部变量,甚至在堆(Heap)上创建对象,balabala….,终于函数完成了它的工作,有些函数需要将结果返回给它的上一层函数,这是怎么做的呢?

    首先,caller和callee在这个问题上要有一个“约定”,由于caller是不知道callee内部是如何执行的,因此caller需要从 callee的函数声明就可以知道应该从什么地方取得返回值。同样的,callee不能随便把返回值放在某个寄存器或者内存中而指望Caller能够正确 地获得的,它应该根据函数的声明,按照“约定”把返回值放在正确的”地方“。下面我们来讲解这个“约定”: 
    1)首先,如果返回值等于4字节,函数将把返回值赋予EAX寄存器,通过EAX寄存器返回。例如返回值是字节、字、双字、布尔型、指针等类型,都通过EAX寄存器返回。

    2)如果返回值等于8字节,函数将把返回值赋予EAX和EDX寄存器,通过EAX和EDX寄存器返回,EDX存储高位4字节,EAX存储低位4字节。例如返回值类型为__int64或者8字节的结构体通过EAX和EDX返回。

    3)  如果返回值为double或float型,函数将把返回值赋予浮点寄存器,通过浮点寄存器返回。

    4)如果返回值是一个大于8字节的数据,将如何传递返回值呢?这是一个比较麻烦的问题,我们将详细讲解:

        我们修改foo函数的定义如下并将它的代码做适当的修改:

 
1 MyStruct foo( int a, int b)
2 {
3 ...
4 }

         MyStruct定义为:

 
1 struct MyStruct
2 {
3      int value1;
4      __int64 value2;
5      bool value3;
6 };

     这时,在调用foo函数时参数的入栈过程会有所不同,如下图所示:

各种调用约定的参数调用_第9张图片

图10

    caller会在压入最左边的参数后,再压入一个指针,我们姑且叫它ReturnValuePointer,ReturnValuePointer指向当 前ESP值下方很远的一个地址,这个地址将用来存储函数的返回值。函数返回时,把返回值拷贝到ReturnValuePointer指向的地址中,然后把 ReturnValuePointer的地址赋予EAX寄存器。函数返回后,caller通过EAX寄存器找到ReturnValuePointer,然 后通过ReturnValuePointer找到返回值。

    你或许会有这样的疑问,函数返回后,对应的堆栈帧已经被销毁,而ReturnValuePointer是在该堆栈帧中,不也应该被销毁了吗?对的,堆栈帧是被销毁了,但是程序不会自动清理其中的值,因此ReturnValuePointer中的值还是有效的。

    但是,这里还有一个问题我没有答案。ReturnValuePointer指向的地址是由caller决定的,而才caller并不知道callee对应 的堆栈帧会有多大,如果callee对应的堆栈帧很大那么就可能会和返回值的地址重合。我还不知道VS编译器通过什么策略来避免这个问题。

堆栈帧的销毁

    当函数将返回值赋予某些寄存器或者拷贝到堆栈的某个地方后,函数开始清理堆栈帧,准备退出。堆栈帧的清理顺序和堆栈建立的顺序刚好相反:(堆栈帧的销毁过程就不一一画图说明了)

   1)如果有对象存储在堆栈帧中,对象的析构函数会被函数调用。

    2)从堆栈中弹出先前的通用寄存器的值,恢复通用寄存器。

    3)ESP加上某个值,回收局部变量的地址空间(加上的值和堆栈帧建立时分配给局部变量的地址大小相同)。

    4)从堆栈中弹出先前的EBP寄存器的值,恢复EBP寄存器。

    5)从堆栈中弹出函数的返回地址,准备跳转到函数的返回地址处继续执行。

    6)ESP加上某个值,回收所有的参数地址。

    前面1-5条都是由callee完成的。而第6条,参数地址的回收,是由caller或者callee完成是由函数使用的调用约定(calling convention )来决定的。下面的小节我们就来讲解函数的调用约定。

函数的调用约定(calling convention)

    函数的调用约定(calling convention)指的是进入函数时,函数的参数是以什么顺序压入堆栈的,函数退出时,又是由谁(Caller还是Callee)来清理堆栈中的参数。有2个办法可以指定函数使用的调用约定:

    1)在函数定义时加上修饰符来指定,如

 
1 void __thiscall mymethod();
2 {
3      ...
4 }

    2)在VS工程设置中为工程中定义的所有的函数指定默认的调用约定:在工程的主菜单打开Project|Project Property|Configuration Properties|C/C++|Advanced|Calling Convention,选择调用约定(注意:这种做法对类成员函数无效)。

    常用的调用约定有以下3种:

    1)__cdecl 。这是VC编译器默认的调用约定。其规则是:参数从右向左压入堆栈,函数退出时由 caller清理堆栈中的参数。这种调用约定的特点是支持可变数量的参数,比如printf方法。由于callee不知道caller到底将多少参数压入 堆栈,因此callee就没有办法自己清理堆栈,所以只有函数退出之后,由caller清理堆栈,因为caller总是知道自己传入了多少参数。

    2)__stdcall 。所有的Windows API都使用__stdcall。其规则是:参数从右向左压入堆栈,函数退出时由callee自己清理堆栈中的参数。由于参数是由callee自己清理的,所以__stdcall不支持可变数量的参数。

    3) __thiscall 。类成员函数默认使用的调用约定。其规则是:参数从右向左压入堆栈,x86 构架下this指针通过ECX寄存器传递,函数退出时由callee清理堆栈中的参数,x86构架下this指针通过ECX寄存器传递。同样不支持可变数 量的参数。如果显式地把类成员函数声明为使用__cdecl或者__stdcall,那么,将采用__cdecl或者__stdcall的规则来压栈和出 栈,而this指针将作为函数的第一个参数最后压入堆栈,而不是使用ECX寄存器来传递了。

反编译代码的跟踪(不熟悉汇编可跳过)

    以下代码为和foo函数对应的堆栈帧建立相关的代码的反编译代码,我将逐行给出注释,可对照前文中对堆栈的描述:

    main函数中 int result=foo(3,4); 的反汇编:

 
1 008A147E  push        4                     //b=4 压入堆栈   
2 008A1480  push        3                     //a=3 压入堆栈,到达图2的状态
3 008A1482  call        foo (8A10F5h)         //函数返回值入栈,转入foo中执行,到达图3的状态 
4 008A1487  add         esp,8                 //foo返回,由于采用__cdecl,由Caller清理参数
5 008A148A  mov         dword ptr [result],eax //返回值保存在EAX中,把EAX赋予result变量

    下面是foo函数代码正式执行前和执行后的反汇编代码

 
01 008A13F0  push        ebp                  //把ebp压入堆栈 
02 008A13F1  mov         ebp,esp              //ebp指向先前的ebp,到达图4的状态
03 008A13F3  sub         esp,0E4h             //为局部变量分配0E4字节的空间,到达图5的状态
04 008A13F9  push        ebx                  //压入EBX
05 008A13FA  push        esi                  //压入ESI
06 008A13FB  push        edi                  //压入EDI,到达图7的状态
07 008A13FC  lea         edi,[ebp-0E4h]       //以下4行把局部变量区初始化为每个字节都等于cch
08 008A1402  mov         ecx,39h 
09 008A1407  mov         eax,0CCCCCCCCh 
10 008A140C  rep stos    dword ptr es:[edi] 
11 ......                                      //省略代码执行N行
12 ......
13 008A1436  pop         edi                   //恢复EDI  
14 008A1437  pop         esi                   //恢复ESI
15 008A1438  pop         ebx                   //恢复EBX
16 008A1439  add         esp,0E4h              //回收局部变量地址空间
17 008A143F  cmp         ebp,esp               //以下3行为Runtime Checking,检查ESP和EBP是否一致   
18 008A1441  call        @ILT+330(__RTC_CheckEsp) (8A114Fh) 
19 008A1446  mov         esp,ebp 
20 008A1448  pop         ebp                   //恢复EBP 
21

008A1449  ret                               //弹出函数返回地址,跳转到函数返回地址执行                                            //(__cdecl调用约定,Callee未清理参数)

 

【注:别处转载】

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