C 语言函数

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C 函数的底层实现

根据 ISA (Instruction Set Architecture, 即指令集架构) 规定，程序和机器的接口是内存和寄存器。

应用程序二进制接口（Application Binary Interface，ABI）是操作系统和应用程序之间的接口，它定义了应用程序如何调用操作系统的服务。ABI 定义了函数调用的规则，包括函数参数的传递方式、函数返回值的传递方式、寄存器的使用、栈的使用等。

RV32I 内存分配

  • 代码区：程序、程序计数器 PC
  • 为 C 变量分配存储空间
    • 静态数据区：静态存储类变量，寄存器 gp
    • 运行时栈：局部变量，寄存器 sp 指向栈顶
      • 向低地址 x0000 0000 增长
  • 堆：动态分配数据
    • 向高地址 xFFFF FFFF 增长
  • 系统空间
    • 操作系统，如自陷处理例程，自陷向量表，I/O 设备寄存器的内存映射地址等

RISV-V 整型寄存器

Register name Symbolic name Description Saved by
x0 Zero Always zero -
x1 ra Return address Caller
x2 sp Stack pointer Callee
x3 gp Global pointer -
x4 tp Thread pointer -
x5 t0 Temporary/alternate return register Caller
x6~x7 t1~t2 Temporary Caller
x8 s0/fp Saved register/frame pointer Callee
x9 s1 Saved register Callee
x10~x11 a0~a1 Function argument/return value Caller
x12~x17 a2~a7 Function argument Caller
x18~x27 s2~s11 Saved register Callee
x28~x31 t3~t6 Temporary Caller
  • 局部变量必须由被调用者保存/恢复，即采用 callee-save 策略。
  • 被调用者知道使用了哪些寄存器存储局部变量
  • 栈指针如果被修改，采用 callee-save 策略保存/恢复
  • zero，gp 和 tp 中的值是不变的，不需要保存/恢复
  • 其他寄存器，视情况可采用 caller-save 策略保存/恢复

内存分配：

  • 静态存储类变量分配到内存中
  • 数组、结构体等类型的变量分配到内存中
  • 寄存器数量不足时使用内存（如局部变量多于 12 个，或参数多于 8 个）
  • 寄存器的保存和恢复，需要使用内存

函数的栈帧即从帧指针所指的单元到栈指针所指的单元之间的这段存储空间。

C 函数调用过程

调用/返回机制

调用过程的 3 个步骤：

  1. 调用者的变元/实参（argument）传给被调用者的形式参数/形参（parameter），并且控制权传给被调用者
  2. 被调用者执行它的计算任务
  3. 被调用者将返回值传回给调用者，并将控制权返回调用者

函数必须与调用者无关，即一个函数应该能被任何一个函数调用。

那么有个问题，是否允许函数调用它本身？即是否允许函数递归。

这也相当于在问是为每个函数分配一个栈帧？还是为每一次函数调用分配一个栈帧？

C 语言允许递归，因此每一次函数调用（而非函数定义），都会分配一个栈帧。

函数栈帧中存储局部数值。在内存中为每一次函数调用分配空间时，采用了栈机制——「栈帧」。内存中能够用于栈帧分配的空间，就是「运行时栈」。当函数返回时，它的栈帧将被回收

机器层面：

  1. 实参被传递给形参
  2. 栈帧被压入/弹出
  3. 控制从一个函数转移到另一个

调用步骤

  1. 调用函数（caller）：
    • 形参寄存器（a0~a7）← 实参
    • 如果需要（参数数量 > 8），运行时栈 ← 实参
  2. 被调用函数（callee）：
    • 完成栈帧的分配
    • 运行时栈 ← 保存寄存器
    • 如需创建局部变量（数组、结构体等），运行时栈 ← 局部变量
  3. 被调用函数（callee）：
    • 执行任务
  4. 被调用函数（callee）：
    • 当完成任务后，栈帧弹出，将控制权返回到调用函数（caller）
    • 最后，调用函数（caller）：
    • 取回被调用函数的返回值

示例 C 代码

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#include <stdio.h>

int Sn(int n);

int main() {
    int in = 3;
    int sum = Sn(in);
    printf ("Sn of %d is %d\n",in, sum);
}

int Sn(int n) {
    if (n == 1) {
        return 1;
    } else {
        return n + Sn(n - 1);
    }
}

产生函数调用

  • 寄存器分配
  • main 函数
    • in -> s1
    • sum -> s2
  • Sn 函数
    • 形参 n -> a0
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mv   a0, s1
jal  ra, Sn

开始被调用函数

  • 首先，计算 Sn 函数栈帧的大小
    • 要保存哪些寄存器
      • ra：调用者的返回地址（caller-save）
      • fp：调用者的帧指针（callee-save）
      • s1：为局部变量分配的寄存器（callee-save）
      • a0：参数/返回值寄存器（caller-save）
    • 有哪些局部变量要分配到栈中
  • 调整 sp：指向栈帧的顶部
  • 然后，保存寄存器到栈帧，调整 fp
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Sn:     addi sp, sp, -16    # 为 Sn 函数分配栈帧
        sw ra, 12(sp)       # ra（返回地址）
        sw fp, 8(sp)        # sp（帧指针）
        addi fp, sp, 12     # 调整帧指针
        sw s1, 4(sp)        # s1（局部变量）
        sw a0, 0(sp)        # a0（参数）

每个栈帧都有相同的结构：返回地址、调用者的帧指针、局部变量寄存器、参数寄存器和函数的局部变量（数组、结构体）等。

执行被调用函数

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        li      t0, 1
        beq     a0, t0, exit1   # n == 1?
        addi    a0, a0, -1      # n - 1
        jal     ra, Sn          # S(n-1)
        mv      t1, a0          # S(n-1) 的返回值
        lw      a0, 0(sp)       # 恢复 a0 // n
        add     a0, a0, t1      # return n + S(n - 1);
        j       exit2
exit1:  li      a0, 1           # return 1;

结束被调用函数

  • 恢复局部变量寄存器
  • 恢复调用者的帧指针 fp
  • 恢复返回地址
  • 调整 sp，指向调用者栈顶
  • ret 指令将控制权返回给调用程序
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exit2:  lw      s1, 4(sp)               # 恢复 s1
        lw      fp, 8(sp)               # 恢复 fp
        lw      ra, 12(sp)              # 恢复 ra
        addi    sp, sp, 16              # 弹出 Sn 函数的栈帧
        ret

从被调用函数返回

mv      s2, a0   # sum = Sn(in);