“ 不要小瞧函數(shù)調(diào)用棧哦，它可是理解參數(shù)傳遞、命名匿名返回值、Function Value、defer等面試常客的關(guān)鍵吶~”我們按照編程語(yǔ)言的語(yǔ)法定義的函數(shù)，會(huì)被編譯器編譯為一堆堆機(jī)器指令，寫入可執(zhí)行文件。程序執(zhí)行時(shí)可執(zhí)行文件被加載到內(nèi)存，這些機(jī)器指令對(duì)應(yīng)到虛擬地址空間中，位于代碼段。如果在一個(gè)函數(shù)中調(diào)用另一個(gè)函數(shù)，編譯器就會(huì)對(duì)應(yīng)生成一條call指令，程序執(zhí)行到這條指令時(shí)，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用函數(shù)入口處開(kāi)始執(zhí)行，而每個(gè)函數(shù)的最后都有一條ret指令，負(fù)責(zé)在函數(shù)結(jié)束后跳回到調(diào)用處，繼續(xù)執(zhí)行。函數(shù)棧幀
函數(shù)執(zhí)行時(shí)需要有足夠的內(nèi)存空間，供它存放局部變量、參數(shù)等數(shù)據(jù)，這段空間對(duì)應(yīng)到虛擬地址空間的棧。棧，只有一個(gè) 口可供進(jìn)出，先入棧的在底，后入棧的在頂，最后入棧的最早被取出。運(yùn)行時(shí)棧，上面是高地址，向下增長(zhǎng)，棧底通常被稱為“棧基”，棧頂被稱為“棧指針”。棧高地址向下增長(zhǎng)棧基棧指針
分配給函數(shù)的棧空間被稱為“函數(shù)棧幀”，Go語(yǔ)言中函數(shù)棧幀布局是這樣的，先是調(diào)用者棧基地址，然后是函數(shù)的局部變量，最后是被調(diào)用函數(shù)的返回值和參數(shù)。函數(shù)棧幀BP of calleeSP of calleeBP of caller局部變量返回值參數(shù)
BP of callee和SP of callee標(biāo)識(shí)被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行時(shí)，棧基寄存器和棧指針寄存器指向的位置，但是注意“BP of caller”不一定會(huì)存在，有些情況下可能會(huì)被優(yōu)化掉，也有可能是平臺(tái)不支持。我們只關(guān)注局部變量和參數(shù)、返回值的相對(duì)位置就好。舉個(gè)例子，函數(shù)A調(diào)用函數(shù)B，函數(shù)A有兩個(gè)局部變量，函數(shù)B有兩個(gè)參數(shù)和兩個(gè)返回值。func A() { var a1, a2, r1, r2 int64 a1, a2 = 1, 2 r1, r2 = B(a1, a2) r1 = C(a1) println(r1, r2)}func B(p1, p2 int64) (int64, int64) { return p2, p1}func C(p1 int64) int64 { return p1}函數(shù)A的棧幀布局如下圖所示，局部變量之后的空間用于存放被調(diào)用函數(shù)的返回值和參數(shù)，接下來(lái)要調(diào)用函數(shù)B，所以先有兩個(gè)int64類型的變量空間用作B的返回值，再有兩個(gè)int64類型的變量空間用于存放傳遞給B的參數(shù)。......return1棧a1a2r1r2局部變量BP of ASP of A返回值BP of callerreturn2param1參數(shù)param2
注意觀察參數(shù)的順序，先入棧第二個(gè)參數(shù)，再入棧第一個(gè)參數(shù)，返回值也是一樣，上面是第二個(gè)返回值的空間，然后才是第一個(gè)返回值的空間。其實(shí)這也好解釋，因?yàn)檫@些是被調(diào)用函數(shù)的返回值和參數(shù)，被調(diào)用函數(shù)是通過(guò)棧指針加上偏移值這樣相對(duì)尋址的方式來(lái)定位到自己的參數(shù)和返回值的，這樣由下至上正好先找到第一個(gè)參數(shù)，再找到第二個(gè)參數(shù)。所以參數(shù)和返回值采用由右至左的入棧順序比較合適。“通常，我們認(rèn)為返回值是通過(guò)寄存器傳遞的，但是Go語(yǔ)言支持多返回值，所以在棧上分配返回值空間更合適~”......return1棧a1a2r1r2局部變量BP of ASP of A返回值BP of callerreturn2param1參數(shù)param2SP of B+偏移......SP of B
圖：被調(diào)用函數(shù)相對(duì)尋址參數(shù)我們知道對(duì)函數(shù)B的調(diào)用會(huì)被編譯器編譯為call指令。實(shí)際上call指令只做兩件事：第一：將下一條指令的地址入棧，被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后會(huì)跳回到這個(gè)地址繼續(xù)執(zhí)行，這就是函數(shù)調(diào)用的“返回地址”。第二：跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用的函數(shù)B指令入口處執(zhí)行，所以在“返回地址”下面就是函數(shù)B的棧幀了。......return1棧a1a2r1r2局部變量BP of ASP of A返回值BP of callerreturn2param1參數(shù)param2SP of B 返回地址BP of A......
所有函數(shù)的棧幀布局都遵循統(tǒng)一的約定，函數(shù)B結(jié)束后它的棧幀被釋放，回到函數(shù)A中繼續(xù)執(zhí)行。......return1棧a1a2r1r2局部變量BP of ASP of A返回值BP of callerreturn2param1參數(shù)param2SP of B返回地址BP of A......
到了調(diào)用函數(shù)C的時(shí)候，它只有一個(gè)參數(shù)和一個(gè)返回值，它們會(huì)占用函數(shù)A棧幀中最下面的一部分空間，所以上面會(huì)空出來(lái)一塊，這是為了在被調(diào)用函數(shù)中可以用標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)地址定位到自己的參數(shù)和返回值，而無(wú)需顧慮其它。同樣的，call指令會(huì)壓入返回地址，并跳轉(zhuǎn)到函數(shù)C的指令入口處，所以下面就是函數(shù)C的棧幀了。......return1棧a1a2r1r2局部變量BP of ASP of A返回值BP of callerparam1參數(shù)SP of C 返回地址BP of A......
Go語(yǔ)言中，函數(shù)棧幀是一次性分配的，也就是在函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行的時(shí)候分配足夠大的棧幀空間。就像上例中函數(shù)A一樣，它要調(diào)用兩個(gè)函數(shù)，除了調(diào)用者棧基地址、局部變量以外，再有四個(gè)int64的空間用作被調(diào)用函數(shù)的參數(shù)與返回值就足夠了。一次性分配函數(shù)棧幀的主要原因是避免棧訪問(wèn)越界，如下圖所示，三個(gè)goroutine初始分配的棧空間是一樣的，如果g2剩余的棧空間不夠執(zhí)行接下來(lái)的函數(shù)，若函數(shù)棧幀是逐步擴(kuò)張的，那么執(zhí)行期間就可能發(fā)生棧訪問(wèn)越界。......棧g1g2g3free越界了
其實(shí)，對(duì)于棧消耗較大的函數(shù)，go語(yǔ)言的編譯器還會(huì)在函數(shù)頭部插入檢測(cè)代碼，如果發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)行“棧增長(zhǎng)”，就會(huì)另外分配一段足夠大的棧空間，并把原來(lái)?xiàng)Ｉ系臄?shù)據(jù)拷過(guò)來(lái)，原來(lái)的這段棧空間就被釋放了。......棧g1g2g3free
了解了函數(shù)棧幀布局，接下來(lái)，我們看幾個(gè)關(guān)于參數(shù)和返回值常見(jiàn)的問(wèn)題。傳參
下面有一個(gè)swap函數(shù)，接收兩個(gè)整型參數(shù)，main函數(shù)想要通過(guò)swap來(lái)交換兩個(gè)局部變量的值，但是失敗了......func swap(a,b int) { a,b = b,a} func main() { a,b := 1,2 swap(a,b) println(a,b) //1,2}我們通過(guò)函數(shù)調(diào)用棧，看看失敗的原因到底在哪兒？main函數(shù)棧幀中，先分配局部變量存儲(chǔ)空間，a=1，b=2。因?yàn)槔又姓{(diào)用的函數(shù)沒(méi)有返回值，所以局部變量后面就是給被調(diào)用函數(shù)傳入的參數(shù)。需要傳入兩個(gè)整型參數(shù)，Go語(yǔ)言中傳參都是值拷貝，參數(shù)是整型，所以拷貝整型變量值。注意參數(shù)入棧順序：由右至左。先入棧第二個(gè)參數(shù)，再入棧第一個(gè)參數(shù)。......棧a=1b=2b=2a=1局部變量SP of main參數(shù)BP of caller......BP of main返回地址SP of swap值拷貝
調(diào)用者棧幀后面是call指令存入的返回地址，swap開(kāi)始執(zhí)行，再下面分配的就是swap函數(shù)棧幀了。swap函數(shù)要交換兩個(gè)參數(shù)的值，但是注意，swap的參數(shù)在哪里？main的局部變量a和b又在哪里？找到它們，交換失敗的原因就找到了，想要交換的局部變量a和b在局部變量空間，但實(shí)際上交換的是參數(shù)空間的a和b。......棧a=1b=2b=1a=2局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of swap交換
再來(lái)個(gè)例子，依然要交換兩個(gè)整型變量的值，但是參數(shù)類型改為整型指針。這次交換成功了，同樣通過(guò)函數(shù)調(diào)用棧，看看和上次有什么不同。func swap(a,b *int) { *a,*b = *b,*a} func main() { a,b := 1,2 swap(&a,&b) println(a,b) //2,1}main函數(shù)棧幀中，先分配局部變量，然后分配參數(shù)空間，參數(shù)是指針，傳參都是值拷貝，這里拷貝的是a和b的地址。依然由右至左，先入棧b的地址， 再入棧a的地址。再后面是返回地址，以及swap函數(shù)棧幀。......棧a=1b=2&b&a局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of swap值拷貝地址
swap要交換的是這兩個(gè)參數(shù)指針指向的數(shù)據(jù)，也就是局部變量空間這里的a和b，所以這一次能夠交換成功！......棧a=2b=1&b&a局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of swap交換
返回值
直接看例子，這里main函數(shù)調(diào)用incr函數(shù)，然后把返回值賦給局部變量b，下面來(lái)看看函數(shù)調(diào)用棧的情況。func incr(a int) int { var b int defer func(){ a++ b++ }() a++ b = a return b}func main(){ var a,b int b = incr(a) println(a,b) //0,1}main函數(shù)棧幀，先是局部變量，a=0，b=0，然后是incr的返回值，初始化為類型零值，再然后是參數(shù)空間。到incr函數(shù)棧幀這里，保存調(diào)用者main的棧基地址后，初始化局部變量b。......棧a=0b=00a=0局部變量SP of main參數(shù)BP of callerb=0 BP of main 返回地址SP of incr返回值......
incr函數(shù)會(huì)把參數(shù)a自增一，然后賦值給局部變量b，要注意它們的位置。......棧a=0b=00a=1局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of incr返回值b=1
到incr函數(shù)的return這里，必須要明確一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。incr函數(shù)返回之前要給返回值賦值并執(zhí)行defer函數(shù)，那誰(shuí)先？誰(shuí)后？答案是：“先賦值”所以incr函數(shù)返回前，會(huì)先把局部變量b的值拷貝到返回值空間，然后再執(zhí)行注冊(cè)的defer函數(shù)。......棧a=0b=01a=1局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of incr返回值b=1拷貝返回值
在defer函數(shù)里，a再次自增1，局部變量b也自增1。......棧a=0b=01a=2局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of incr返回值b=2
所以，incr結(jié)束后，返回值為1，賦給main函數(shù)局部變量b，最后會(huì)輸出0和1。......棧a=0b=11a=2局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of incr返回值b=2b=incr(a)
這是匿名返回值的情況，下面再來(lái)個(gè)例子，其它都不變，只把這里的局部變量b改成命名返回值，看看有什么不同。func incr(a int) (b int) { defer func(){ a++ b++ }() a++ return a}func main(){ var a,b int b = incr(a) println(a,b) //0,2}main函數(shù)棧幀，與上個(gè)例子完全相同，到incr函數(shù)棧幀這里，沒(méi)有局部變量，執(zhí)行到a++時(shí)，參數(shù)a自增1。返回前，先把參數(shù)a賦給返回值b，要注意返回值的位置。......棧a=0b=0b=1a=1局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址返回值拷貝返回值SP of incr
然后執(zhí)行defer函數(shù)，參數(shù)a再次自增1，返回值b也自增1，然后incr結(jié)束，返回值最終為2。......棧a=0b=0b=2a=2局部變量SP of main參數(shù)BP of caller......BP of main返回地址返回值SP of incr
所以， main的局部變量b賦值為2，最后會(huì)輸出0和2。......棧a=0b=2b=2a=2局部變量SP of main參數(shù)BP of caller...... BP of main 返回地址SP of incr返回值b=incr(a)
命名返回值和匿名返回值相關(guān)的問(wèn)題，最關(guān)鍵的還是函數(shù)棧幀布局，以及返回值被賦值的時(shí)機(jī)。最后，留給感興趣的同學(xué)看看，在匯編指令層面怎么實(shí)現(xiàn)函數(shù)跳轉(zhuǎn)與返回。函數(shù)跳轉(zhuǎn)與返回
程序執(zhí)行時(shí) CPU用特定寄存器來(lái)存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)棧基與棧指針，同時(shí)也有指令指針寄存器用于存儲(chǔ)下一條要執(zhí)行的指令地址。......棧寄存器BPSPIP棧基棧指針指令指針指令push 3push 4
如果接下來(lái)要執(zhí)行"push 3"這條指令，CPU讀取后，會(huì)將指令指針移向下一條指令，然后棧指針向下移動(dòng)，數(shù)字3入棧。......棧寄存器BPSPIP棧基棧指針指令指針指令push 3push 43
繼續(xù)執(zhí)行下一條指令，再次移動(dòng)棧指針入棧數(shù)字4。......棧寄存器BPSPIP棧基棧指針指令指針指令push 3push 4......34
前面我們提過(guò)Go語(yǔ)言中函數(shù)棧幀不是這樣逐步擴(kuò)張的，而是一次性分配，也就是在分配棧幀時(shí)，直接將棧指針移動(dòng)到所需最大棧空間的位置。......棧寄存器BPSPIP棧基棧指針指令指針指令把3移動(dòng)到SP+16處把4移動(dòng)到SP+8處
然后通過(guò)棧指針加上偏移值這種相對(duì)尋址方式使用函數(shù)棧幀。例如sp加16字節(jié)處存儲(chǔ)3，加8字節(jié)處存儲(chǔ)4，諸如此類。......棧寄存器BPSPIP棧基棧指針指令指針指令把3移動(dòng)到SP+16處把4移動(dòng)到SP+8處......34
接下來(lái)我們看看call指令和ret指令，是怎樣實(shí)現(xiàn)函數(shù)跳轉(zhuǎn)與返回的。func A(){ a,b := 1,2 B(a,b) return}func B(c,d int){ println(c,d) return}調(diào)用函數(shù)B之前函數(shù)A棧幀如下圖所示，注意函數(shù)A和函數(shù)B的指令分布在代碼段，而且函數(shù)A調(diào)用函數(shù)B的call指令在地址a1處，函數(shù)B入口地址在b1處。......棧a=1b=2......代碼段............a1call b1~~~~~~~~~~~~~~~~b1~~~~~~~~......~~~~~~~~~~~~~~~~RETAB寄存器BPSPa1IPs1s2d=2c=1s3s4s5s6
然后到call指令這里，它的作用有兩點(diǎn)：第一，把返回地址a2入棧保存起來(lái)；第二，跳轉(zhuǎn)到指令地址b1處。......棧a=1b=2......代碼段............a1call b1~~~~~~~~~~~~~~~~b1~~~~~~~~......~~~~~~~~~~~~~~~~RETAB寄存器BPSPb1IPa2a2d=2c=1s1s2s3s4s5s6
call指令結(jié)束。函數(shù)B開(kāi)始執(zhí)行，我們先看它最開(kāi)始的三條指令：第一條指令，把SP向下移動(dòng)24字節(jié)（從s6挪到s9），為自己分配足夠大的棧幀；第二條指令，要把調(diào)用者棧基s1存到SP+16字節(jié)的地方(s7那里)；第三條指令，把s7（SP+16）存入BP寄存器。棧a=1b=2............代碼段............a1call b1~~~~~~~~~~~~~~~~b1~~~~~~~~......~~~~~~~~~~~~~~~~RETAB寄存器BPSPb4IPa2a2s1b4d=2c=1s1s2s3s4s5s6s7s8s9
圖：執(zhí)行函數(shù)B入口處插入的三條指令接下來(lái)就是執(zhí)行函數(shù)B剩下的指令了，沒(méi)有局部變量，只有被調(diào)用者的參數(shù)空間。在最后的ret指令之前，編譯器還會(huì)插入兩條指令：第1條指令：恢復(fù)調(diào)用者A的棧基地址，它之前被存儲(chǔ)在SP+16字節(jié)（s7）這里，所以BP恢復(fù)到s1；第2條指令：釋放自己的棧幀空間，分配時(shí)向下移動(dòng)多少（從s6到s9）釋放時(shí)就向上移動(dòng)多少(從s9到s6)。棧a=1b=2......代碼段............a1call b1~~~~~~~~~~~~~~~~b1~~~~~~~~......~~~~~~~~~~~~~~~~RETAB寄存器BPSPbnIPa2a2s1bnc=1d=2c=1d=2......s1s2s3s4s5s6s7s8s9
然后就到ret指令了，它的作用也有兩點(diǎn)：第一，彈出call指令壓棧的返回地址a2；第二，跳轉(zhuǎn)到call指令壓棧的返回地址a2處。......代碼段............a1call b1~~~~~~~~~~~~~~~~b1~~~~~~~~......~~~~~~~~~~~~~~~~RETAB寄存器BPSPa2IPa2棧a=1b=2a2s1c=1d=2c=1d=2......s1s2s3s4s5s6s7s8s9
現(xiàn)在可以從a2這里繼續(xù)執(zhí)行了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，函數(shù)通過(guò)call指令實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，而每個(gè)函數(shù)開(kāi)始時(shí)會(huì)分配棧幀，結(jié)束前又釋放自己的棧幀，ret指令又會(huì)把棧恢復(fù)到call之前的樣子，通過(guò)這些指令的配合最終實(shí)現(xiàn)了函數(shù)跳轉(zhuǎn)與返回。
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