Вызов функции в си
Введение
Эта статья - перевод этой статьи. Некоторые детали в ней устарели, некоторые являются специфичными для окружения, но в целом полно излагают поведение при вызове функции. Данный материал позволит глубже понять механизм вызова, специфичные ошибки, особенности вызова функций с переменным числом параметров и возможные методы оптимизации. Кроме того, она будет полезна, если вы захотите вызвать функцию или написать собственную на ассемблере.
Ниже описано поведение стека при вызове функции в си. Детали соответствуют действительности для компилятора gcc на платформе intel pentium. Существует множество способов и соглашений создать и заполнить фрейм: разные процессоры, операционные системы и компиляторы могут делать это по-разному.
Вызов функции
Рассмотрим функцию со следующим прототипом
int foo (int arg1, int arg2, int arg3);
Функция имеет 2 локальных переменных. Далее будем считать, что sizeof(int) равен 4 байтам. Пусть функция main вызывает функцию foo.
Регистр ESP является указателем стека (хранит адрес вершины стека), регистр EBP - указателем базы. Регистр EBP используется для хранения адреса предыдущего фрейма.
Аргументы, которые main передаёт foo, а также локальные переменные могут быть получены путём сдвига относительно указателя базы.
Если вызываемая функция работает с регистрами EAX, ECX и EDX, то вызывающая функция должна их сохранить каким-то образом на стеке перед вызовом подпрограммы. С другой стороны, вызываемая функция должна восстановить значения этих регистров. Если вызываемая функция изменяет состояние регистров EAX, ECX и EDX, то она должна сначала сохранить предыдущее состояние на стеке, а перед выходом восстановить их прежние значения.
Параметры, передаваемые функции foo кладутся на стек справа налево: сначала самый последний аргумент, в конце самый первый. Локальные переменные, также как и временные, хранятся на стеке.
Возвращаемое значение, если оно меньше 4 байт, сохраняется в регистре EAX. Если возвращаемое значение больше четырёх байт, то вызывающая функция передаёт дополнительный первый параметр вызываемой функции. Этот параметр - адрес, по которому должно быть сохранено возвращаемое значение. На языке си вызов
x = foo(a, b, c);
будет трансформирован в
foo(&x, a, b, c);
Заметьте, это произойдёт только если возвращаемое значение больше 4 байт.
Рассмотрим пошагово процесс вызова и понаблюдаем за изменением стека.
Действия вызывающей функции перед вызовом
В нашем примере вызывающая функция main, а вызываемая foo. Перед вызовом функции main использует регистры ESP и EBP для работы с собственным фреймом.
1. Функция main кладёт на стек содержимое регистров EAX, ECX и EDX. Это необязательное действие, которое происходит только если состояние регистров должно быть сохранено.
2. Функция main кладёт на стек аргументы, начиная с последнего. Например, если вызов имеет вид
a = foo(12, 15, 18);
на ассемблере это может выглядеть как:
push dword 18 push dword 15 push dword 12
3. main запрашивает вызов подпрограммы call
call foo
Во время исполнения инструкции call, на стек кладётся содержимое регистра EIP (Istruction pointer). Смысл вот в чём: так как EIP указывает на следующую инструкцию после в main, то на вершине стека окажется адрес возврата. После вызова call следующий цикл выполнения начнётся с метки foo.
На рисунке 2 показано содержимое фрейма после того, как отработала функция call. Красная линия на этом и следующих рисунках отделяет содержимое стека, которое было создано вызовом функции от остального содержимого. После вызова функции вершина стека вновь окажется на этой позиции.
Действия вызываемой функции после вызова
Когда функция foo получает управление, она должна сделать 3 вещи: установить собственный фрейм, выделить место под локальное хранилище, по мере надобности сохранить состояние регистров EBX, ESI и EDI.
Итак, foo сначала устанавливает собственный фрейм. EBP ещё указывает на положение фрейма функции main. Это значение должно быть сохранено, поэтому оно кладётся на стек. Содержимое ESP перемещается в EBP. Это позволит обращаться к аргументам функции как к сдвигу относительно EBP и освободит указатель стека ESP для дальнейших действий. Поэтому, почти все функции си начинаются с инструкций
push ebp mov ebp, esp
На рисунке 3 изображён стек после этих действий. Обратите внимание, что первый аргумент имеет адрес EBP + 8, так как адрес возврата и EBP функии main каждый занимают по 4 байта.
На следующем шаге функция foo должна выделить на стеке место под локальные переменные. Также она должна выделить место под временное хранилище. Дело в том, что функция может иметь сложные выражения, которые будут сохранять промежуточные значения для дальнейшего использования в других сложных выражениях. Пусть, к примеру, кроме двух локальных переменных типа int нашей функции требуется ещё 12 байт для временного хранилища. Необходимые 20 байт могут быть выделены просто вычитанием из EBP двадцати (напомню, вершина стека растёт с убыванием адреса)
sub esp, 20
К локальным переменным и временному хранилищу теперь можно обращаться с помощью сдвига относительно EBP. В заключение, foo должна сохранить содержимое регистров EBX, ESI и EDI на стеке , если они используются.
Теперь может быть выполнено тело функции. При этом новые данные могут помещаться и сниматься со стека. Поэтому указатель стека ESP может изменяться, но EBP остаётся фиксированным, и к первому аргументу можно обратиться [EBP + 8] независимо от того, сколько операций push и pop было вызвано. Выполнение функции foo в свою очередь также может привести к вызову других функций или к рекурсивному вызову. Тем не менее, поскольку EBP восстанавливается после возвращения из этих вложенных вызовов, ссылки на аргументы, локальные переменные и временное хранилище всё также может быть произведено с помощью сдвига относительно EBP.
Действия вызываемой функции перед возвратом
Перед тем как вернуть управление вызывающей функции, foo должна определиться с тем, как возвращать значение, о чём мы уже упоминали. Результат будет помещён в регистр EAX, либо станет дополнительным параметром функции, а сама функция не будет возвращать значения.
Во-вторых, foo должна восстановить значение регистров EBX, ESI и EDI. В начале вызова мы поместили значения регистров на стек (так как наша функция их изменяла), а теперь можем снять эти значения оттуда, но только в том случае, если ESP хранит верное значение, то есть количество операция push и pop должно быть сбалансировано.
После этих двух шагов локальные переменные и временное хранилище больше не нужны и фрейм может быть снят с помощью инструкций
mov esp, ebp pop ebp
После этого адрес возврата может быть снят со стека и помещён в регистр EIP. Так как эти действия часто встречаются в программах на си, то процессоры i386 имеют специальные инструкции, которые делают то же самое, что и приведённые выше
leave ret
Действия вызывающей функции после возвращения
После того, как управление перешло к вызывающеё функции (в нашем примере это main), аргументы, переданные функции обычно уже не нужны. Мы можем снять со стека все три значения сразу, просто прибавив 12 (3 раза по 4 байта) к указателю стека.
add esp, 12
Функция main после этого должна сохранить возвращаемое значение, которое хранится в регистре EAX в предназначенном для этого месте. Например, если возвращаемое значение присваивается переменной, то содержимое регистра EAX может быть размещено по адресу этой переменной.
В конце концов, если содержимое регистров EAX, ECX и EDX было сохранено на стеке, то оно может быть восстановлено. Таким образом, стек опять находится в том состоянии, в котором был до вызова функции.
