硬核透视一个C++函数调用

Image （题图截取自cmatrix命令行程序运行效果）

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话不多说，直接上代码吧。下图左边是C++代码，右边是对应生成的汇编指令（生成方法为：g++ -S foo.cpp）：

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接下来，就深度剖析下这段汇编指令。

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首先介绍些关于汇编语言的基础知识。

与 C/C++ 等高级语言不同，汇编语言之所以不高级，是因为它严重依赖于底层 CPU 体系架构，它的每一行代码，都能直接对应到一条机器指令，通常翻译成一个或几个字节的机器代码，扔给 CPU 就能执行。

gcc 生成的汇编代码，为 GNU 汇编（The GNU Assembler）语法。这里不详细展开其语法规则，只针对读懂上述代码，做一些简单说明：

行首未缩进的，都是用于指代该位置的标号，用半角冒号（:）结束。如“_Z3fooi:”、“.LFB0:”、“main:”、“0:”。这些标号，可能是变量名、函数名或跳转语句的目标，最终都会被汇编器将其更换成为对应的内存地址。

行首缩进，且起始字符不是半角点号（.）的，是真正的汇编语句。如“movq %rsp, %rbp”、“subq $16, %rsp”、“call _Z3fooi”、“leave”。这些语句都可以明确地被翻译成对应的机器指令。

行首缩进，且起始字符是半角点号（.）的，是汇编伪指令。如“.text”、“.globl main”、“.align 8”、“.long 0x3”。它们通常并不生成机器指令，而是告诉编译器做些特别的处理。

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接下来，我把上面的 64 行汇编代码，拆分为四段，分别进行详细解读：

1-2 行：整体描述信息

3-22 行：int foo(int x) 函数

23-46 行：int main() 函数

47-64 行：全局数据段

第一段和第四段相对简单，先进行解读。

第一段：

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第一行“.file”仅用于记录其源代码文件，即当前“foo.s”是由“foo.cpp”编译得到。

第二行“.text”则标记接下去生成的汇编代码（或者也可以理解为对应的机器指令），需要放入代码段。是的，在汇编语言中，“代码”是用“text”表示，而非“code”表示。与“.text”相对应的，还有“.data”和“.bss”等，分别表示不同类型的数据段。

代码段和数据段等概念，与编译原理和可执行程序加载运行有关，这里不做展开（以后有机会再深挖）。简单理解为，高级语言的源代码，经过编译链接成为可执行文件后，其实可执行文件是由几个块组成的，在加载运行时，不同块会分别以不同形式加载。

第四段：

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由于本程序（foo.cpp）中未定义全局变量，所以这里生成的“预定义数据”，其实都是编译器额外编排的，诸如 GNU 版本、C/C++ 运行时库可能用到的内置全局变量等内容。

“.ident”用于标记编译器版本号，用于后续帮助链接器进行版本检查，避免把版本不匹配的机器指令整合到一起，而引起错误。

“.section”用于定义接下去的内容，所属段名，以及相关属性。

“.align”表示字节对齐，后面的数字 8，表示按能够被 8 整除的位置进行对齐。如果前面的字符串、数字或代码，在逐个进行字节编码后，到此处的地址，并不能被 8 整除，则编译器会在此空出几个字节，确保接下去的内存地址，是能被 8 整除的。之所以做这样的调整，是为了让内存寻址和使用更加高效。

“.long”和“.string”是分别用于分配长整数内存空间与字符串内存空间，并在该空间内预存入初始值。

上述数据内容对于理解本篇代码几乎无影响，就不进一步展开解释了。

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第二段：

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先看函数名，原本在 C++ 代码中定义的“int foo(int x)”，到了这里，被转化成了“_Z3fooi”，这是 C++ 编译器为了实现函数重载（即同样的函数名，但参数类型或个数不同，可以同时存在于一个程序中）。重载的函数，本质上会在汇编语言层面（也即机器语言层面，下同，不再赘述），并列成为不同的代码。这个特性对于理解 C++ 模板的展开也很关键。

第 3 行的“.globl”，用于标识该“_Z3fooi”标号为全局，也即最终可以被链接器看到的“外部标识”，用于在将不同模块进行整合成一个可执行文件时，互相识别，从而确保其他模块也能使用这个标识。具体到这里，相当于提供了其他模块（即其他 .cpp 文件）可以调用这个“int foo(int x)”的基础。

第 4 行的“.type _Z3fooi, @function”，则进一步说明，这个标识是一个函数，这有助于后续正确使用该标识。如前所述，函数、变量、跳转目标等，在汇编语言中都“降维”拍平成了单个地址。确保每个地址被正确使用，成了编译器为提高代码质量，需要尽量严格检查的内容。

第 5 行的“.Z3fooi:”是标号定义，其名称来自原 C++ 函数名，并通过增加前缀与后缀，确保与其他重载函数不会冲突。第 6 行则定义了另一个标号“.LFB0:”，与之对应的还有第 21 行的“.LFE0:”，盲猜它们应该表示的是“local function begin”和“local function end”，仅仅为了让编译器可以更方便地定位到函数代码的起始和终止位置。

第 7 行的“.cfi_startproc”和第 20 行的“.cfi_endproc”也类似，不过并非以标号的方式，而是以伪指令的方式，定义了函数的起始和终止。猜测可能是帮助编译器确定当前生成代码状态，避免出现诸如函数内再嵌套函数等混乱发生。（插句题外话：即使这样的混乱发生，从机器指令的层面而言，也都是“合法”的，只不过其执行结果就未必是我们预期的了；我们通常编写的程序代码，都是做了很多秩序约定后，在广阔潜在可编码空间中，限定的一个狭小集合空间中进行的，这仅仅是为了使我们能够“轻松”驾驭代码而已）。

第 22 行的“.size _Z3fooi, .-_Z3fooi”，其中的“.”表示当前地址，它减去“_Z3fooi”地址，正好就是该函数代码的大小。所以，这里就是帮助编译器进行“_Z3fooi”大小定义的。

此外，第 10、11、13、18 行，“.cfi_XXX”的伪指令，都是用于帮助编译器识别并优化代码的，我们可以直接忽略，而仅仅看其他汇编代码。于是，我们可以对上面的代码做下简化，得到：

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它对应原C++代码：

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第 2 行汇编代码“endbr64”是一条现代CPU的新指令，与CPU指令流水线控制有关，这里简单将其理解为一条无任何动作的空指令（NOP）即可。

第 3 行“pushq %rbp”，将寄存器 rbp 存入堆栈，以便后续恢复。第 4 行“movq %rsp, %rbp”紧接着将堆栈指针赋给寄存器 rbp。这两行是函数调用在机器指令水平的常规套路，它们（与调用者代码配合）会在进程空间的堆栈段中，划出存放参数传递的内存空间，同时也为局部变量划出空间，并由此建立起一个新的堆栈空间。这个内存结构设计非常精巧，能够确保对参数和局部变量的访问，都局限在能够被快速访问的内存区域，且通过特定方式迭代地追溯，是能够找到函数的每一层调用者及相关信息的。调试器正是通过这个结构，将运行时的函数调用关系（调用堆栈），展示给程序员的。

第 8 行“popq %rbp”是从堆栈还原了寄存器 rbp 的值，从而使堆栈空间还原到函数调用前。第 9 行“ret”则将指令指针寄存器还原到调用者（call语句的下一条指令），实现函数返回功能。这与上面的第 3、4 行语句配合，形成了通常的函数框架的套路实现。真正的函数体（原C++代码的第 3 行），对应到汇编语言中，仅仅是上图的第 5-7 行。

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第 5 行“movl %edi, -4(%rbp)”，将寄存器 edi 的值，存入堆栈区域预留空间，该空间通过寄存器 rbp 来寻址，加上一个偏移量 -4，在这条汇编语句里写成了“-4(%rbp)”的形式。该预留空间，可以理解为“形参”（C++函数中看到的 int x），而寄存器本身的传递，可以相应理解为“实参”（C++ 函数调用者，main 中的 int a）。

第 6 行“movl -4(%rbp), %eax”，将该“形参”从内存读出，存入寄存器 eax。之所以这样做，是因为在机器指令中，所有四则运算都需要放到寄存器中才能进行。

第 7 行“addl $1, %eax”，则将寄存器 eax 的值进行加 1 操作，结果仍存入 eax 中。

至此，第 5-7 行汇编代码，实现了C++中的“return x+1;”，始于传入的寄存器 edi，终于返回值传出的寄存器 eax。

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第三段：

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这是 main 函数的实现，与上述 foo 函数实现非常类似，相关的伪指令基本都完全一致，这里不做赘述，直接简化该代码成为：

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这里，第 2-5、12-13 行，与上述 foo 函数中的堆栈空间分配及还原的套路基本是一样的。唯一差别在于，main 函数中有两个局部变量（int a 与 int b），因此多了第 5 行“subq $16, %rsp”，将寄存器 rsp（表示堆栈底部指针）减去16，留出局部变量的空间。而第 12 行“leave”语句，这也是一个在80386 CPU中引入的“新语句”，其功能上相当于“movl %ebp, %esp”和“popl %ebp”两个语句，用于还原第 2-5 行造成的影响，使堆栈恢复函数调用前的状态。

真正的 main 函数内容：

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其 8-9 行源码，所翻译的汇编语句仅为这几行：

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第 6 行，“movl $1, -8(%rbp)”，将 1 赋值给局部变量 int a，即堆栈中预留出的空间“-8(%rbp)”。紧接着，第 7 行，“movl -8(%rbp), %eax”，又将该局部变量的值，重新读入到寄存器 eax 中，以便后续计算或操作。

然而其实并没有其他计算操作，有的仅仅是需要把该数值传入函数 foo 中。前面提到函数调用的传入参数与返回值，“始于 edi，终于 eax”，所以，这里将 eax 的值赋给 edi，用于传入，即第 8 行“movl %eax, %edi”。

之后的第 9 行，“call _Z3fooi”，即调用函数，它相当于把当前 ecs 和 eip（代码段地址与代码指针地址）都存入堆栈，然后做了一个长跳转（long jump）。与之对应的，子程序中的 ret 指令，其实是将 ecs 与 eip 从堆栈中恢复出来，于是程序就能继续从调用者的 call 语句之后，接着执行。

第 10-11 行，函数返回值由寄存器 eax 返回，将该数值存入局部变量 int b 中，即堆栈中分配出来的“-4(%rbp)”空间。

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至此，我们解析完成了整篇汇编代码。这个堆栈构造与还原的套路，是所有计算机语言的底层通用实现。编译器在看到函数调用时，会自动帮我们去完成这些机器指令的编写。

当然，这里仅仅是一个最简单场景的开始，还不涉及到多个参数，非内建类型的参数，甚至多个返回值等情况。但万变不离其宗，理解最基本的套路后，其它的无非是做了延伸扩展。

想要扎实掌握 C++ 这门语言，甚至融会贯通地把握住任何其他语言，上述略显枯燥的解析过程，还是需要仔细吃透的。不愿意下这份功夫的，不妨及早放弃，选择更合适的钻研方向。毕竟，大多数码农，在 IDE 和 AI 的助力下，可能一辈子都不会需要接触到这些底层“屠龙技”的。

参考链接：

[1] https://debrouxl.github.io/gcc4ti/gnuasm.html [2] https://ftp.gnu.org/old-gnu/Manuals/gas-2.9.1/as.html [3] http://web.mit.edu/rhel-doc/3/rhel-as-en-3/index.html

注：本文首发表于“不靠谱颜论”公众号，并同步至本站。