函数调用约定和堆栈

1 什么是堆栈

编译器一般使用堆栈实现函数调用。堆栈是存储器的一个区域，嵌入式环境有时需要程序员自己定义一个数组作为堆栈。Windows为每个线程自动维护一个堆栈，堆栈的大小可以设置。编译器使用堆栈来堆放每个函数的参数、局部变量等信息。

函数调用经常是嵌套的，在同一时刻，堆栈中会有多个函数的信息，每个函数占用一个连续的区域。一个函数占用的区域被称作帧（frame）。

编译器从高地址开始使用堆栈。 假设我们定义一个数组a[1024]作为堆栈空间，一开始栈顶指针指向a[1023]。如果栈里有两个函数a和b，且a调用了b，栈顶指针会指向函数b的 帧。如果函数b返回。栈顶指针就指向函数a的帧。如果在栈里放了太多东西造成溢出，破坏的是a[0]上面的东西。

在多线程（任务）环境，CPU的堆栈指针指向的存储器区域就是当前使用的堆栈。切换线程的一个重要工作，就是将堆栈指针设为当前线程的堆栈栈顶地址。

不同CPU，不同编译器的堆栈布局、函数调用方法都可能不同，但堆栈的基本概念是一样的。

2 函数调用约定

函数调用约定包括传递参数的顺序，谁负责清理参数占用的堆栈等，例如 ：

调用函数的代码和被调函数必须采用相同的函数的调用约定，程序才能正常运行。在Windows上，__cdecl是C/C++程序的缺省函数调用约定。

在有的cpu上，编译器会用寄存器传递参数，函数使用的堆栈由被调函数分配和释放。这种调用约定在行为上和__cdecl有一个共同点：实参和形参数目不符不会导致堆栈错误。

不过，即使用寄存器传递参数，编译器在进入函数时，还是会将寄存器里的参数存入堆栈指定位置。参数和局部变量一样应该在堆栈中有一席之地。参数可以被理解为由调用函数指定初值的局部变量。

3 例子：__cdecl和__stdcall

不同的CPU，不同的编译器，堆栈的布局可能是不同的。本文以x86，VC++的编译器为例。

VC++编译器的已经不再支持__pascal, __fortran, __syscall等函数调用约定。目前只支持__cdecl和__stdcall。

采用__cdecl或__stdcall调用方式的程序，在刚进入子函数时，堆栈内容是一样的。esp指向的栈顶是返回地址。这是被call指令压入堆栈的。下面是参数，左边参数在上，右边参数在下（先入栈）。

如前表所示，__cdecl和__stdcall的区别是：__cdecl是调用者清理参数占用的堆栈，__stdcall是被调函数清理参数占用的堆栈。

由于__stdcall的被调函数在编译时就必须知道传入参数的准确数目（被调函数要清理堆栈），所以不能支持变参数函数，例如printf。而且如果调用者使用了不正确的参数数目，会导致堆栈错误。

通过查看汇编代码，__cdecl函数调用在call语句后会有一个堆栈调整语句，例如：

a = 0x1234;

b = 0x5678;

c = add(a, b);

对应x86汇编：

mov dword ptr [ebp-4],1234h

mov dword ptr [ebp-8],5678h

mov eax,dword ptr [ebp-8]

push eax

mov ecx,dword ptr [ebp-4]

push ecx

call 0040100a

add esp,8

mov dword ptr [ebp-0Ch],eax

__stdcall的函数调用则不需要调整堆栈：

call 00401005

mov dword ptr [ebp-0Ch],eax

函数

int __cdecl add(int a, int b)

{

return a+b;

}

产生以下汇编代码（Debug版本）：

push ebp

mov ebp,esp

sub esp,40h

push ebx

push esi

push edi

lea edi,[ebp-40h]

mov ecx,10h

mov eax,0CCCCCCCCh

rep stos dword ptr [edi]

mov eax,dword ptr [ebp+8]

add eax,dword ptr [ebp+0Ch]

pop edi

pop esi

pop ebx

mov esp,ebp

pop ebp

ret // 跳转到esp所指地址,并将esp+4,使esp指向进入函数时的第一个参数

再查看__stdcall函数的实现，会发现与__cdecl函数只有最后一行不同：

ret 8 // 执行ret并清理参数占用的堆栈

对于调试版本，VC++编译器在“直接调用地址”时会增加检查esp的代码，例如：

ta = (TAdd)add; // TAdd定义：typedef int (__cdecl *TAdd)(int a, int b);

c = ta(a, b);

产生以下汇编代码：

mov [ebp-10h],0040100a

mov esi,esp

mov ecx,dword ptr [ebp-8]

push ecx

mov edx,dword ptr [ebp-4]

push edx

call dword ptr [ebp-10h]
add esp,8

cmp esi,esp

call __chkesp (004011e0)

mov dword ptr [ebp-0Ch],eax

__chkesp 代码如下。如果esp不等于函数调用前保存的值，就会转到错误处理代码。

004011E0 jne __chkesp+3 (004011e3)

004011E2 ret

004011E3 ;错误处理代码

__chkesp的错误处理会弹出对话框，报告函数调用造成esp值不正确。 Release版本的汇编代码要简洁得多。也不会增加 __chkesp。如果发生esp错误，程序会继续运行，直到“遇到问题需要关闭”。

3 补充说明

函数调用约定只是“调用函数的代码”和被调用函数之间的关系。

假设函数A是__stdcall，函数B调用函数A。你必须通过函数声明告诉编译器，函数A是__stdcall。编译器自然会产生正确的调用代码。

如果函数A是__stdcall。但在引用函数A的地方，你却告诉编译器，函数A是__cdecl方式，编译器产生__cdecl方式的代码，与函数A的调用约定不一致，就会发生错误。

以delphi调用VC函数为例，delphi的函数缺省采用__pascal约定，VC的函数缺省采用__cdecl约定。我们一般将VC的函数设为__stdcall，例如：

int __stdcall add(int a, int b);

在delphi中将这个函数也声明为__stdcall，就可以调用了：

function add(a: Integer; b: Integer): Integer;

stdcall; external ‘a.dll‘;

因为考虑到可能被其它语言的程序调用，不少API采用__stdcall的调用约定。

函数调用约定和堆栈