Go函数调用惯例
Go语言中文网 1周前
以下文章来源于Golang技术分享 ，作者机器铃砍菜刀
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
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与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。
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。
1// main.c2int add(int arg1, int arg2, int arg3, int arg4,int arg5, int arg6,int arg7, int arg8) {3 return arg1 + arg2 + arg3 + arg4 + arg5 + arg6 + arg7 + arg8;4}56int main() {7 int i = add(10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80);8}我们通过clang编译器在x86_64平台上进行编译。
1$ clang -v2Apple clang version 12.0.0 (clang-1200.0.32.29)3Target: x86_64-apple-darwin19.5.0main.c 编译后得到的汇编代码如下
1 $ clang -S main.c 2 ... 3_main: 4 ... 5 subq $32, %rsp 6 movl $10, %edi // 将参数1数据置于edi寄存器 7 movl $20, %esi // 将参数2数据置于esi寄存器 8 movl $30, %edx // 将参数3数据置于edx寄存器 9 movl $40, %ecx // 将参数4数据置于ecx寄存器10 movl $50, %r8d // 将参数5数据置于r8d寄存器11 movl $60, %r9d // 将参数6数据置于r9d寄存器12 movl $70, (%rsp) // 将参数7数据置于栈上13 movl $80, 8(%rsp) // 将参数8数据置于栈上14 callq _add // 调用add函数15 xorl %ecx, %ecx16 movl %eax, -4(%rbp)17 movl %ecx, %eax // 最终通过eax寄存器承载着返回值返回18 addq $32, %rsp19 popq %rbp20 retq21 ... 22_add: 23 ...24 movl 24(%rbp), %eax 25 movl 16(%rbp), %r10d 26 movl %edi, -4(%rbp) // 将edi寄存器上的数据放置于栈上27 movl %esi, -8(%rbp) // 将esi寄存器上的数据放置于栈上28 movl %edx, -12(%rbp) // 将edx寄存器上的数据放置于栈上29 movl %ecx, -16(%rbp) // 将ecx寄存器上的数据放置于栈上30 movl %r8d, -20(%rbp) // 将r8d寄存器上的数据放置于栈上31 movl %r9d, -24(%rbp) // 将edi寄存器上的数据放置于栈上32 movl -4(%rbp), %ecx // 将栈上的数据 10 放置于ecx寄存器33 addl -8(%rbp), %ecx // 实际为：ecx = ecx + 2034 addl -12(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 3035 addl -16(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 4036 addl -20(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 50 37 addl -24(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 6038 addl 16(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 7039 addl 24(%rbp), %ecx // ecx = ecx + 8040 movl %eax, -28(%rbp) 41 movl %ecx, %eax // 最终通过eax寄存器承载着返回值返回42 popq %rbp43 retq44 ... 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。
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。
1package main23func add(arg1, arg2, arg3, arg4, arg5, arg6, arg7, arg8 int) int {4 return arg1 + arg2 + arg3 + arg4 + arg5 + arg6 + arg7 + arg85}67func main() {8 _ = add(10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80)9}使用go tool compile -S -N -l main.go 命令编译得到如下汇编代码
1"".main STEXT size=122 args=0x0 locals=0x50 2 // 80代表栈帧大小为80个字节，0是入参和出参大小之和 3 0x0000 00000 (main.go:7) TEXT "".main(SB), ABIInternal, $80-0 4 ... 5 0x000f 00015 (main.go:7) SUBQ $80, SP 6 0x0013 00019 (main.go:7) MOVQ BP, 72(SP) 7 0x0018 00024 (main.go:7) LEAQ 72(SP), BP 8 ... 9 0x001d 00029 (main.go:8) MOVQ $10, (SP) // 将数据填置栈上10 0x0025 00037 (main.go:8) MOVQ $20, 8(SP)11 0x002e 00046 (main.go:8) MOVQ $30, 16(SP)12 0x0037 00055 (main.go:8) MOVQ $40, 24(SP)13 0x0040 00064 (main.go:8) MOVQ $50, 32(SP)14 0x0049 00073 (main.go:8) MOVQ $60, 40(SP)15 0x0052 00082 (main.go:8) MOVQ $70, 48(SP)16 0x005b 00091 (main.go:8) MOVQ $80, 56(SP)17 0x0064 00100 (main.go:8) PCDATA $1, $018 0x0064 00100 (main.go:8) CALL "".add(SB) // 调用add函数19 0x0069 00105 (main.go:9) MOVQ 72(SP), BP20 0x006e 00110 (main.go:9) ADDQ $80, SP21 0x0072 00114 (main.go:9) RET22 ...2324"".add STEXT nosplit size=55 args=0x48 locals=0x025 // 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26 0x0000 00000 (main.go:3) TEXT "".add(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $0-7227 ...28 0x0000 00000 (main.go:3) MOVQ $0, "".~r8+72(SP) // 初始化返回值，将其置为029 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30 0x000e 00014 (main.go:4) ADDQ "".arg2+16(SP), AX // AX = AX + 2031 0x0013 00019 (main.go:4) ADDQ "".arg3+24(SP), AX32 0x0018 00024 (main.go:4) ADDQ "".arg4+32(SP), AX33 0x001d 00029 (main.go:4) ADDQ "".arg5+40(SP), AX34 0x0022 00034 (main.go:4) ADDQ "".arg6+48(SP), AX35 0x0027 00039 (main.go:4) ADDQ "".arg7+56(SP), AX36 0x002c 00044 (main.go:4) ADDQ "".arg8+64(SP), AX37 0x0031 00049 (main.go:4) MOVQ AX, "".~r8+72(SP) // 将结果AX填置到对应栈上位置38 0x0036 00054 (main.go:4) RET39 ...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。