函數調用方式詳解

在C語言中，假設我們有這樣的一個函數：

int function(int a,int b)

調用時只要用result = function(1,2)這樣的方式就可以使用這個函數。但是，當進階語言被編譯成電腦可以識別的機器碼時，有一個問題就凸現出來：在CPU中，電腦沒有辦法知道一個函數調用需要多少個、什麼樣的參數，也沒有硬體可以儲存這些參數。也就是說，電腦不知道怎麼給這個函數傳遞參數，傳遞參數的工作必須由函數調用者和函數本身來協調。為此，電腦提供了一種被稱為棧的資料結構來支援參數傳遞。

棧是一種先進後出的資料結構，棧有一個儲存區、一個棧頂指標。棧頂指標指向堆棧中第一個可用的資料項目（被稱為棧頂）。使用者可以在棧頂上方向棧中加入資料，這個操作被稱為壓棧(Push)，壓棧以後，棧頂自動變成新加入資料項目的位置，棧頂指標也隨之修改。使用者也可以從堆棧中取走棧頂，稱為彈出棧(pop)，彈出棧後，棧頂下的一個元素變成棧頂，棧頂指標隨之修改。

函數調用時，調用者依次把參數壓棧，然後調用函數，函數被調用以後，在堆棧中取得資料，並進行計算。Function Compute結束以後，或者調用者、或者函數本身修改堆棧，使堆棧恢複原裝。

在參數傳遞中，有兩個很重要的問題必須得到明確說明：

• 當參數個數多於一個時，按照什麼順序把參數壓入堆棧
• 函數調用後，由誰來把堆棧恢複原裝

在進階語言中，通過函數呼叫慣例來說明這兩個問題。常見的呼叫慣例有：

• stdcall
• cdecl
• fastcall
• thiscall
• naked call

stdcall呼叫慣例

stdcall很多時候被稱為pascal呼叫慣例，因為pascal是早期很常見的一種教學用電腦程式設計語言，其文法嚴謹，使用的函數呼叫慣例就是stdcall。在Microsoft C++系列的C/C++編譯器中，常常用PASCAL宏來聲明這個呼叫慣例，類似的宏還有WINAPI和CALLBACK。

stdcall呼叫慣例聲明的文法為(以前文的那個函數為例）：

int __stdcall function(int a,int b)

stdcall的呼叫慣例意味著：1）參數從右向左壓入堆棧，2）函數自身修改堆棧 3)函數名自動加前置的底線，後面緊跟一個@符號，其後緊跟著參數的尺寸

以上述這個函數為例，參數b首先被壓棧，然後是參數a，函數調用function(1,2)調用處翻譯成組合語言將變成：

 

  push 2      第二個參數入棧push 1      第一個參數入棧call function  調用參數，注意此時自動把cs:eip入棧
 

而對於函數自身，則可以翻譯為：

 

  push ebp     儲存ebp寄存器，該寄存器將用來儲存堆棧的棧頂指標，可以在函數退出時恢複mov ebp,esp  儲存堆棧指標mov  eax,[ebp + 8H]  堆棧中ebp指向位置之前依次儲存有ebp,cs:eip,a,b,ebp +8指向aadd eax,[ebp + 0CH]  堆棧中ebp + 12處儲存了bmov  esp,ebp         恢複esppop ebpret 8
 

而在編譯時間，這個函數的名字被翻譯成_function@8

注意不同編譯器會插入自己的彙編代碼以提供編譯的通用性，但是大體代碼如此。其中在函數開始處保留esp到ebp中，在函數結束恢複是編譯器常用的方法。

從函數調用看，2和1依次被push進堆棧，而在函數中又通過相對於ebp(即剛進函數時的堆棧指標）的位移量存取參數。函數結束後，ret 8表示清理8個位元組的堆棧，函數自己恢複了堆棧。

cdecl呼叫慣例

cdecl呼叫慣例又稱為C呼叫慣例，是C語言預設的呼叫慣例，它的定義文法是：

 

  int function (int a ,int b)  //不加修飾就是C呼叫慣例int __cdecl function(int a,int b)//明確指出C呼叫慣例
 

在寫本文時，出乎我的意料，發現cdecl呼叫慣例的參數壓棧順序是和stdcall是一樣的，參數首先由有向左壓入堆棧。所不同的是，函數本身不清理堆棧，調用者負責清理堆棧。由於這種變化，C呼叫慣例允許函數的參數的個數是不固定的，這也是C語言的一大特色。對於前面的function函數，使用cdecl後的彙編碼變成：

 

  調用處push 1push 2call functionadd esp,8   
  注意：這裡調用者在恢複堆棧被調用函數_function處push ebp     儲存ebp寄存器，該寄存器將用來儲存堆棧的棧頂指標，可以在函數退出時恢複mov ebp,esp  儲存堆棧指標mov  eax,[ebp + 8H]  堆棧中ebp指向位置之前依次儲存有ebp,cs:eip,a,b,ebp +8指向aadd eax,[ebp + 0CH]  堆棧中ebp + 12處儲存了bmov  esp,ebp         恢複esppop ebpret         
  注意，這裡沒有修改堆棧
 

MSDN中說，該修飾自動在函數名前加前置的底線，因此函數名在符號表中被記錄為_function，但是我在編譯時間似乎沒有看到這種變化。

由於參數按照從右向左順序壓棧，因此最開始的參數在最接近棧頂的位置，因此當採用不定個數參數時，第一個參數在棧中的位置肯定能知道，只要不定的參數個數能夠根據第一個後者後續的明確的參數確定下來，就可以使用不定參數，例如對於CRT中的sprintf函數，定義為：

int sprintf(char* buffer,const char* format,...)

由於所有的不定參數都可以通過format確定，因此使用不定個數的參數是沒有問題的。

fastcall

fastcall呼叫慣例和stdcall類似，它意味著：

• 函數的第一個和第二個DWORD參數（或者尺寸更小的）通過ecx和edx傳遞，其他參數通過從右向左的順序壓棧
• 被調用函數清理堆棧
• 函數名修改規則同stdcall

其聲明文法為：int fastcall function(int a,int b)

thiscall

thiscall是唯一一個不能明確指明的函數修飾，因為thiscall不是關鍵字。它是C++類成員函數預設的呼叫慣例。由於成員函數調用還有一個this指標，因此必須特殊處理，thiscall意味著：

• 參數從右向左入棧
• 如果參數個數確定，this指標通過ecx傳遞給被調用者；如果參數個數不確定，this指標在所有參數壓棧後被壓入堆棧。
• 對參數個數不定的，調用者清理堆棧，否則函數自己清理堆棧

為了說明這個呼叫慣例，定義如下類和使用代碼：

class A{public:      int function1(int a,int b);      int function2(int a,...);};int A::function1 (int a,int b){      return a+b;}#include int A::function2(int a,...){      va_list ap;      va_start(ap,a);      int i;      int result = 0;      for(i = 0 ; i < a ; i ++)      {         result += va_arg(ap,int);      }      return result;}void callee(){      A a;      a.function1 (1,2);      a.function2(3,1,2,3);}

callee函數被翻譯成彙編後就變成：

 

  //函數function1調用0401C1D   push        200401C1F   push        100401C21   lea         ecx,[ebp-8]00401C24   call  function1           注意，這裡this沒有被入棧//函數function2調用00401C29   push        300401C2B   push        200401C2D   push        100401C2F   push        300401C31   lea         eax,[ebp-8]   這裡引入this指標00401C34   push        eax00401C35   call   function200401C3A   add         esp,14h
 

可見，對於參數個數固定情況下，它類似於stdcall，不定時則類似cdecl

naked call

這是一個很少見的呼叫慣例，一般程式設計者建議不要使用。編譯器不會給這種函數增加初始化和清理代碼，更特殊的是，你不能用return返回傳回值，只能用插入彙編返回結果。這一般用於實模式驅動程式設計，假設定義一個求和的加法程式，可以定義為：

__declspec(naked) int  add(int a,int b){   __asm mov eax,a   __asm add eax,b   __asm ret }

注意，這個函數沒有顯式的return傳回值，返回通過修改eax寄存器實現，而且連退出函數的ret指令都必須顯式插入。上面代碼被翻譯成彙編以後變成：

 

  mov eax,[ebp+8]add eax,[ebp+12]ret 8
 

注意這個修飾是和__stdcall及cdecl結合使用的，前面是它和cdecl結合使用的代碼，對於和stdcall結合的代碼，則變成：

__declspec(naked) int __stdcall function(int a,int b){    __asm mov eax,a    __asm add eax,b    __asm ret 8        //注意後面的8}

至於這種函數被調用，則和普通的cdecl及stdcall調用函數一致。

函數呼叫慣例導致的常見問題

如果定義的約定和使用的約定不一致，則將導致堆棧被破壞，導致嚴重問題，下面是兩種常見的問題：

1. 函數原型聲明和函數體定義不一致
2. DLL匯入函數時聲明了不同的函數約定

以後者為例，假設我們在dll種聲明了一種函數為：

__declspec(dllexport) int func(int a,int b);//注意，這裡沒有stdcall，使用的是cdecl

使用時代碼為：

typedef int (*WINAPI DLLFUNC)func(int a,int b);      hLib = LoadLibrary(...);      DLLFUNC func = (DLLFUNC)GetProcAddress(...)//這裡修改了呼叫慣例      result = func(1,2);//導致錯誤

由於調用者沒有理解WINAPI的含義錯誤的增加了這個修飾，上述代碼必然導致堆棧被破壞，MFC在編譯時間插入的checkesp函數將告訴你，堆棧被破壞了。

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