2-1.函数调用

调用惯例

无论是系统级编程语言 C 和 Go，还是脚本语言 Ruby 和 Python，这些编程语言在调用函数时往往都使用相同的语法：

somefunction(arg0, arg1)

虽然它们调用函数的语法很相似，但是它们的调用惯例却可能大不相同。调用惯例是调用方和被调用方对于参数和返回值传递的约定，本节将为各位读者介绍 C 和 Go 语言的调用惯例。

C 语言

我们先来研究 C 语言的调用惯例，这里使用 gcc 将 C 语言编译成汇编代码，从中可以了解函数调用的具体过程。

假设我们有以下的 C 语言代码，代码中只包含两个函数，其中一个是主函数 main，另一个是我们定义的函数 my_function：

// ch04/my_function.c
int my_function(int arg1, int arg2) {
    return arg1 + arg2;
}

int main() {
    int i = my_function(1, 2);
}

我们可以使用 cc -S my_function.c 命令将上述文件编译成如下所示的汇编代码：

main:
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp // rsp 和 rbp 都是栈寄存器
	subq	$16, %rsp
	movl	$2, %esi  // 将第二个参数存入 esi 寄存器
	movl	$1, %edi  // 将第一个参数存入 edi 寄存器（注意是 edi 不是 esi，和上面不一样
	call	my_function
	movl	%eax, -4(%rbp)
    
my_function:
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	movl	%edi, -4(%rbp)    // 从 edi 寄存器取出第一个参数，放到 rbq 寄存器（即栈）上
	movl	%esi, -8(%rbp)    // 从 esi 金铲铲取出第二个参数，放到栈上
	movl	-8(%rbp), %eax    // 从栈中取出第二个参数 放到 eax 寄存器上
	movl	-4(%rbp), %edx    // 从栈中取出第一个参数 放到 eax 寄存器上
	addl	%edx, %eax        // 将 edx 中的值加给 eax：eax += edx = 1 + 2 = 3
	popq	%rbp

在 my_function 调用前，调用方 main 函数将 my_function 的两个参数分别存到 edi 和 esi 寄存器中；
在 my_function 调用时，它会将寄存器 edi 和 esi 中的数据存储到 eax 和 edx 两个寄存器中，随后通过汇编指令 addl 计算两个入参之和；
在 my_function 调用后，使用寄存器 eax 传递返回值，main 函数将 my_function 的返回值存储到栈上的 i 变量中；

当 my_function 函数的入参增加至八个时，重新编译当前程序可以会得到不同的汇编代码：

int my_function(int arg1, int arg2, int ... arg8) {
    return arg1 + arg2 + ... + arg8;
}

main:
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	subq	$16, %rsp     // 为参数传递申请 16 字节的栈空间
	movl	$8, 8(%rsp)   // 传递第 8 个参数
	movl	$7, (%rsp)    // 传递第 7 个参数
	movl	$6, %r9d
	movl	$5, %r8d
	movl	$4, %ecx
	movl	$3, %edx
	movl	$2, %esi
	movl	$1, %edi
	call	my_function

main 函数调用 my_function 时，前六个参数会使用 edi、esi、edx、ecx、r8d 和 r9d 六个寄存器传递。寄存器的使用顺序也是调用惯例的一部分，函数的第一个参数一定会使用 edi 寄存器，第二个参数使用 esi 寄存器，以此类推。

最后的两个参数与前面的完全不同，调用方 main 函数通过栈传递这两个参数，下图展示了 main 函数在调用 my_function 前的栈信息：

上图中 rbp 寄存器会存储函数调用栈的基址指针，即属于 main 函数的栈空间的起始位置，而另一个寄存器 rsp 存储的是 main 函数调用栈结束的位置，这两个寄存器共同表示了函数的栈空间。

在调用 my_function 之前，main 函数通过 subq $16, %rsp 指令分配了 16 个字节的栈地址，随后将第六个以上的参数按照从右到左的顺序存入栈中，即第八个和第七个，余下的六个参数会通过寄存器传递，接下来运行的 call my_function 指令会调用 my_function 函数：

my_function:
	pushq	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	movl	%edi, -4(%rbp)    // rbp-4 = edi = 1
	movl	%esi, -8(%rbp)    // rbp-8 = esi = 2
	...
	movl	-8(%rbp), %eax    // eax = 2
	movl	-4(%rbp), %edx    // edx = 1
	addl	%eax, %edx        // edx = eax + edx = 3
	...
	movl	16(%rbp), %eax    // eax = 7
	addl	%eax, %edx        // edx = eax + edx = 28
	movl	24(%rbp), %eax    // eax = 8
	addl	%edx, %eax        // edx = eax + edx = 36
	popq	%rbp

my_function 会先将寄存器中的全部数据转移到栈上，然后利用 eax 寄存器计算所有入参的和并返回结果。

我们可以将本节的发现和分析简单总结成 — 当我们在 x86_64 的机器上使用 C 语言中调用函数时，参数都是通过寄存器和栈传递的，其中：

六个以及六个以下的参数会按照顺序分别使用 edi、esi、edx、ecx、r8d 和 r9d 六个寄存器传递；
六个以上的参数会使用栈传递，函数的参数会以从右到左的顺序依次存入栈中；

而函数的返回值是通过 eax 寄存器进行传递的，由于只使用一个寄存器存储返回值，所以 C 语言的函数不能同时返回多个值。

Go 语言

分析了 C 语言函数的调用惯例之后，我们再来剖析一下 Go 语言函数的调用惯例。我们以下面这个非常简单的代码片段为例简单分析一下：

package main

func myFunction(a, b int) (int, int) {
	return a + b, a - b
}

func main() {
	myFunction(66, 77)
}

上述的 myFunction 函数接受两个整数并返回两个整数，main 函数在调用 myFunction 时将 66 和 77 两个参数传递到当前函数中，使用 go tool compile -S -N -l main.go 编译上述代码可以得到如下所示的汇编指令：

如果编译时不使用 -N -l 参数，编译器会对汇编代码进行优化，编译结果会有较大差别

"".main STEXT size=68 args=0x0 locals=0x28
	0x0000 00000 (main.go:7)	MOVQ	(TLS), CX
	0x0009 00009 (main.go:7)	CMPQ	SP, 16(CX)   // SP为栈
	0x000d 00013 (main.go:7)	JLS	61
	0x000f 00015 (main.go:7)	SUBQ	$40, SP      // 分配 40 字节栈空间
	0x0013 00019 (main.go:7)	MOVQ	BP, 32(SP)   // 将基址指针存储到栈上
	0x0018 00024 (main.go:7)	LEAQ	32(SP), BP
	0x001d 00029 (main.go:8)	MOVQ	$66, (SP)    // 第一个参数推入栈
	0x0025 00037 (main.go:8)	MOVQ	$77, 8(SP)   // 第二个参数推入栈
	0x002e 00046 (main.go:8)	CALL	"".myFunction(SB)
	0x0033 00051 (main.go:9)	MOVQ	32(SP), BP
	0x0038 00056 (main.go:9)	ADDQ	$40, SP
	0x003c 00060 (main.go:9)	RET

根据 main 函数生成的汇编指令，我们可以分析出 main 函数调用 myFunction 之前的栈：

main 函数通过 SUBQ $40, SP 指令一共在栈上分配了 40 字节的内存空间：

空间

大小

作用

myFunction 入参的压栈顺序和 C 语言一样，都是从右到左，即第一个参数 66 在栈顶的 SP ~ SP+8，第二个参数存储在 SP+8 ~ SP+16 的空间中。

当我们准备好函数的入参之后，会调用汇编指令 CALL "".myFunction(SB)，这个指令首先会将 main 的返回地址存入栈中，然后改变当前的栈指针 SP 并执行 myFunction 的汇编指令：

"".myFunction STEXT nosplit size=49 args=0x20 locals=0x0
	0x0000 00000 (main.go:3)	MOVQ	$0, "".~r2+24(SP) // 初始化栈顶+24地址（即第一个返回值）为0
	0x0009 00009 (main.go:3)	MOVQ	$0, "".~r3+32(SP) // 初始化栈顶+32地址（第二个返回值）为0
	0x0012 00018 (main.go:4)	MOVQ	"".a+8(SP), AX    // 将栈顶+8地址的元素写入 AX 寄存器 AX = 66
	0x0017 00023 (main.go:4)	ADDQ	"".b+16(SP), AX   // 将栈顶+16地址的元素加给 AX 寄存器 AX += 77 = 143
	0x001c 00028 (main.go:4)	MOVQ	AX, "".~r2+24(SP) // AX寄存器的值入栈 (24)SP = AX = 143
	0x0021 00033 (main.go:4)	MOVQ	"".a+8(SP), AX    // 将栈顶+8地址的元素写入 AX 寄存器 AX = 66
	0x0026 00038 (main.go:4)	SUBQ	"".b+16(SP), AX   // 将栈顶+16地址的元素减给 AX 寄存器AX = AX - 77 = -11
	0x002b 00043 (main.go:4)	MOVQ	AX, "".~r3+32(SP) // AX寄存器值入栈 (32)SP = AX = -11
	0x0030 00048 (main.go:4)	RET

从上述的汇编代码中我们可以看出，当前函数在执行时首先会将 main 函数中预留的两个返回值地址置成 int 类型的默认值 0，然后根据栈的相对位置获取参数并进行加减操作并将值存回栈中，在 myFunction 函数返回之间，栈中的数据如下图所示：

在 myFunction 返回后，main 函数会通过以下的指令来恢复栈基址指针并销毁已经失去作用的 40 字节栈内存：

    0x0033 00051 (main.go:9)    MOVQ    32(SP), BP
    0x0038 00056 (main.go:9)    ADDQ    $40, SP
    0x003c 00060 (main.go:9)    RET

通过分析 Go 语言编译后的汇编指令，我们发现 Go 语言使用栈传递参数和接收返回值，所以它只需要在栈上多分配一些内存就可以返回多个值。

对比

C 语言和 Go 语言在设计函数的调用惯例时选择了不同的实现。C 语言同时使用寄存器和栈传递参数，使用 eax 寄存器传递返回值；而 Go 语言使用栈传递参数和返回值。我们可以对比一下这两种设计的优点和缺点：

C 语言的方式能够极大地减少函数调用的额外开销，但是也增加了实现的复杂度；
- 需要单独处理函数参数过多的情况；
Go 语言的方式能够降低实现的复杂度并支持多返回值，但是牺牲了函数调用的性能；
- 不需要考虑超过寄存器数量的参数应该如何传递；
- 不需要考虑不同架构上的寄存器差异；
- 函数入参和出参的内存空间需要在栈上进行分配，CPU 访问栈的开销比访问寄存器高几十倍