Go函数调用惯例

机器铃砍菜刀
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本文旨在探讨Go函数中的一个问题:为什么Go函数能支持多参数返回,而C/C++、java不行?这其实牵涉到了一个叫做函数调用惯例的问题。

调用惯例

在程序代码中,函数提供了最小功能单元,程序执行实际上就是函数间相互调用的过程。在调用时,函数调用方和被调用方必须遵守某种约定,它们的理解要一致,该约定就被称为函数调用惯例。

函数调用惯例往往由编译器来规定,本文主要关心两个点:

  • 函数的参数(入参与出参)是通过栈还是寄存器传递?
  • 如果通过栈传递,是从左至右,还是从右至左入栈?

栈是现代计算机程序里最为重要的概念之一,没有栈就没有函数,也没有局部变量。栈保存了一个函数调用所需要的维护信息,这常常被称为堆栈帧(Stack Frame)或活动记录 (Activate Record)。堆栈帧一般包括如下几方面内容:

  • 函数的返回地址和参数。
  • 临时变量:包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量。
  • 保存的上下文信息:包括在函数调用前后需要保持不变的寄存器。

一个堆栈帧可以用指向栈顶的栈指针寄存器SP维护当前栈帧的基准地址的基准指针寄存器BP来表示。因此,一个典型的函数活动记录可以表示为如下

在参数及其之后的数据即当前函数的活动记录。BP固定在图中所示的位置(通过它便于索引参数与变量等),它不会随着函数的执行而变化。而SP始终指向栈顶,随着函数的执行,SP会不断变化。在BP之前是该函数的返回地址,在32位机器表示为BP+4,64位机器表示为BP+8,再往前就是压入栈中的参数。BP所直接指向的数据是调用该函数前BP的值,这样在函数返回的时候,BP可以通过读取这个值恢复到调用前的值。

汇编代码解析

下面,我们来对比分析C和Go调用惯例差异。

  1. C调用惯例

假设有main.c的C程序源文件,其中main函数调用add函数,详细代码如下。

// main.c
int add(int arg1, int arg2, int arg3, int arg4,int arg5, int arg6,int arg7, int arg8) {
    return arg1 + arg2 + arg3 + arg4 + arg5 + arg6 + arg7 + arg8;
}

int main() {
    int i = add(10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80);
}

我们通过clang编译器在x86_64平台上进行编译。

$ clang -v
Apple clang version 12.0.0 (clang-1200.0.32.29)
Target: x86_64-apple-darwin19.5.0

main.c 编译后得到的汇编代码如下

 $ clang -S main.c
  ...
_main:                                
  ...
    subq    $32, %rsp      
    movl    $10, %edi    // 将参数1数据置于edi寄存器
    movl    $20, %esi    // 将参数2数据置于esi寄存器
    movl    $30, %edx    // 将参数3数据置于edx寄存器
    movl    $40, %ecx    // 将参数4数据置于ecx寄存器
    movl    $50, %r8d    // 将参数5数据置于r8d寄存器
    movl    $60, %r9d    // 将参数6数据置于r9d寄存器
    movl    $70, (%rsp)  // 将参数7数据置于栈上
    movl    $80, 8(%rsp) // 将参数8数据置于栈上
    callq    _add         // 调用add函数
    xorl    %ecx, %ecx
    movl    %eax, -4(%rbp)
    movl    %ecx, %eax  // 最终通过eax寄存器承载着返回值返回
    addq    $32, %rsp
    popq    %rbp
    retq
  ...  
_add:                                 
  ...
    movl    24(%rbp), %eax  
    movl    16(%rbp), %r10d 
    movl    %edi, -4(%rbp)  // 将edi寄存器上的数据放置于栈上
    movl    %esi, -8(%rbp)  // 将esi寄存器上的数据放置于栈上
    movl    %edx, -12(%rbp) // 将edx寄存器上的数据放置于栈上
    movl    %ecx, -16(%rbp) // 将ecx寄存器上的数据放置于栈上
    movl    %r8d, -20(%rbp) // 将r8d寄存器上的数据放置于栈上
    movl    %r9d, -24(%rbp) // 将edi寄存器上的数据放置于栈上
    movl    -4(%rbp), %ecx  // 将栈上的数据 10 放置于ecx寄存器
    addl    -8(%rbp), %ecx  // 实际为:ecx = ecx + 20
    addl    -12(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 30
    addl    -16(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 40
    addl    -20(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 50 
    addl    -24(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 60
    addl    16(%rbp), %ecx  // ecx = ecx + 70
    addl    24(%rbp), %ecx  // ecx = ecx + 80
    movl    %eax, -28(%rbp)        
    movl    %ecx, %eax      // 最终通过eax寄存器承载着返回值返回
    popq    %rbp
    retq
  ...  

因此,在main函数调用add函数之前,其参数存放如下图所示

调用add函数后的数据存放如下图所示

因此,对于默认的C语言调用惯例(cdecl调用惯例),我们可以得出以下结论

  • 当函数参数不超过六个时,其参数会按照顺序分别使用 edi、esi、edx、ecx、r8d 和 r9d 六个寄存器进行传递;
  • 当参数超过六个,那么超过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入栈

C语言函数的返回值是通过寄存器传递完成的,不过根据返回值的大小,有以下三种情况。

  • 小于4字节,返回值存入eax寄存器,由函数调用方读取eax的值
  • 返回值5到8字节,采用eax和edx寄存器联合返回
  • 大于8个字节,首先在栈上额外开辟一部分空间temp,将temp对象的地址做为隐藏参数入栈。函数返回时将数据拷贝给temp对象,并将temp对象的地址用寄存器eax传出。调用方从eax指向的temp对象拷贝内容。

可以看到,由于采用了寄存器传递返回值的设计,C语言的返回值只能有一个,这里回答了C为什么不能实现函数多值返回。

  1. Go函数调用惯例

假设有main.go的Go程序源文件,和C中例子一样,其中main函数调用add函数,详细代码如下。

package main

func add(arg1, arg2, arg3, arg4, arg5, arg6, arg7, arg8 int) int {
    return arg1 + arg2 + arg3 + arg4 + arg5 + arg6 + arg7 + arg8
}

func main() {
    _ = add(10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80)
}

使用go tool compile -S -N -l main.go 命令编译得到如下汇编代码

"".main STEXT size=122 args=0x0 locals=0x50
        // 80代表栈帧大小为80个字节,0是入参和出参大小之和
        0x0000 00000 (main.go:7)        TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $80-0
        ...
        0x000f 00015 (main.go:7)        SUBQ    $80, SP
        0x0013 00019 (main.go:7)        MOVQ    BP, 72(SP)
        0x0018 00024 (main.go:7)        LEAQ    72(SP), BP
        ...
        0x001d 00029 (main.go:8)        MOVQ    $10, (SP)  // 将数据填置栈上
        0x0025 00037 (main.go:8)        MOVQ    $20, 8(SP)
        0x002e 00046 (main.go:8)        MOVQ    $30, 16(SP)
        0x0037 00055 (main.go:8)        MOVQ    $40, 24(SP)
        0x0040 00064 (main.go:8)        MOVQ    $50, 32(SP)
        0x0049 00073 (main.go:8)        MOVQ    $60, 40(SP)
        0x0052 00082 (main.go:8)        MOVQ    $70, 48(SP)
        0x005b 00091 (main.go:8)        MOVQ    $80, 56(SP)
        0x0064 00100 (main.go:8)        PCDATA  $1, $0
        0x0064 00100 (main.go:8)        CALL    "".add(SB) // 调用add函数
        0x0069 00105 (main.go:9)        MOVQ    72(SP), BP
        0x006e 00110 (main.go:9)        ADDQ    $80, SP
        0x0072 00114 (main.go:9)        RET
        ...

"".add STEXT nosplit size=55 args=0x48 locals=0x0
        // add栈帧大小为0字节,72是 8个入参 + 1个出参 的字节大小之和
        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-72
        ...
        0x0000 00000 (main.go:3)        MOVQ    $0, "".~r8+72(SP)  // 初始化返回值,将其置为0
        0x0009 00009 (main.go:4)        MOVQ    "".arg1+8(SP), AX  // 开始将栈上的值放置在AX寄存器上
        0x000e 00014 (main.go:4)        ADDQ    "".arg2+16(SP), AX // AX = AX + 20
        0x0013 00019 (main.go:4)        ADDQ    "".arg3+24(SP), AX
        0x0018 00024 (main.go:4)        ADDQ    "".arg4+32(SP), AX
        0x001d 00029 (main.go:4)        ADDQ    "".arg5+40(SP), AX
        0x0022 00034 (main.go:4)        ADDQ    "".arg6+48(SP), AX
        0x0027 00039 (main.go:4)        ADDQ    "".arg7+56(SP), AX
        0x002c 00044 (main.go:4)        ADDQ    "".arg8+64(SP), AX
        0x0031 00049 (main.go:4)        MOVQ    AX, "".~r8+72(SP)  // 将结果AX填置到对应栈上位置
        0x0036 00054 (main.go:4)        RET
        ...

同样的,我们将main函数调用add函数时,其参数存放可视化出来如下所示

这里我们可以看到,add函数的入参压栈顺序和C一样,都是从右至左,即最后一个参数在靠近栈底方向的SP+56~SP+64,而第一个参数是在栈顶SP~SP+8。

调用add函数后的数据存放如下图所示

注意,这里与C中调用不同的是,由于通过栈传递参数,所以并不需要将寄存器中保存的参数再拷贝至栈上。在本例中,add帧直接调用main帧栈上的数据进行计算即可。通过将结果累加到AX寄存器上,最后再将最终的返回值置回栈中即可,返回值的位置是在最后一个入参之上。

因此我们知道,Go函数的出入参均是通过栈来传递的。所以,如果想返回多值,那么仅需要在栈上多分配一些内存即可。到这里也就回答了文章开头的问题。

总结

在函数调用惯例中,C语言和Go语言选择了不同的实现方式。C语言同时使用了寄存器与栈传递参数,而Go语言除了在函数计算过程中会临时使用例如AX这种累加寄存器之外,全部是通过栈完成参数的传递。

任何选择都会有它的优劣所在,总体来讲,C语言实现方式更多地是考虑性能,Go语言实现方式更多地是考虑复杂度。下面,我们详细比较一下两种调用惯例。

C语言方式

CPU访问寄存器的效率会明显高于栈;

不同平台的寄存器存在差异,需要为每种架构设定对应的寄存器传递规则;

参数过多时,需要同时使用寄存器与栈传递,增加了实现复杂度,且此时函数调用性能和Go语言方式差别不再大;

只能支持一个返回值。

Go语言方式

遵循Go语言的跨平台编译理念:都是通过栈传递,因此不用担心架构不同带来的寄存器差异;

参数较少的情况下,函数调用性能会比C语言方式低;

编译器易于维护;

可以支持多返回值。

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