原文:C/C++ 函数参数和返回值传递机制
作者:Breaker <breaker.zy_AT_gmail>
说明 C/C++ 函数调用中,参数和返回值传递的机制,包括低级汇编指令和高级 C++ 对象拷贝构造
关键字:参数传递,返回值传递,按值传递 (passed by value),按引用传递 (passed by reference),拷贝构造
相关参考
调用顺序 func_1->func_2,调用时栈操作顺序从 高地址 到 低地址
示意图如下:
***低地址***[ ... ] 2[func_2 局部变量 2 ] 2[func_2 局部变量 1 ] 2[func_1 寄存器值: ECX, EBX, EDI, ESI 等 ] 2 保存 func_1 的运行环境[func_2 预留栈空间 ] 2 用 sub esp, XXh 预留栈空间[func_1 EBP ] 2 保存 func_1 EBP,然后 EBP <= ESP[func_1 中下一条 EIP ] 2 保存 func_2 调用完成后,func_1 的下一条指令地址[func_2 返回值 ] 2 1 func_1 使用 func_2 的返回值,size 小的返回值通过寄存器传递[func_2 第 1 个参数 ] 2 1[func_2 第 2 个参数 ] 2 1[... ] 2 1 IDA 中用 func_2 arg_XX 表示[func_2 第 N 个参数 ] 2 1 C/C++ 参数入栈方式:从后到前***高地址***
栈示意图后面的 1、2 表示哪个函数会访问这些存储
基本过程如此,但编译器之间略有差别,如 VC 调试方式编译,用 sub esp, XXh 预留栈空间等
C++ 中参数和返回值传递都是初始化语义
prolog 和 epilogprolog 和 epilog 由编译器产生,但可使用 VC 的 __declspec(naked) 裸函数,手工编写 prolog 和 epilog,参考 MSDNConsiderations for Writing Prolog/Epilog Code
以按值传递一个 POD 结构 Student 为例,说明汇编指令
编译器 Linux GCC 4
编译命令 g++ -O0 -g3 -Wall
测试程序:
struct Student{ int id; // 学号 char* name; // 姓名 int age; // 年龄 int sex; // 性别};// 被调函数int print_student(Student stu);// 调用函数int main(){ Student stu_1 = {12345, "LiMing", 21, 0}; print_student(stu);}
call print_student 指令及栈操作
print_student prolog 及栈操作
IDA 中两个函数参数相关汇编符号:
在一次函数调用中,var_XX 和 arg_XX 是同一存储的不同名称,在 caller 中用 var_XX 访问,在 callee 中用 arg_XX 访问
传递 C++ 类对象时的拷贝构造,以及按引用传递、按地址(指针)传递参数时的汇编指令
编译器 VC 2010
编译命令 cl /Od /MDd /Zi /EHsc (Debug)
测试程序:
// 复数类模板template<class Type>class Complex{ // 省略无关代码 // copy ctor Complex(const Complex& right) : m_real(right.m_real), m_image(right.m_image) {}}// 被调函数void some_func(Complex<double> complex_v1, Complex<double>& complex_v2, Complex<double>* complex_v3, double v1, double& v2, double* v3);// 调用函数void caller(){ Complex<double> complex_v1(1.2, 2.3); double v1 = 1.3; some_func(complex_v1, complex_v1, &complex_v1, 1.1, v1, &v1);}
下面是 caller 中调用 some_func() 的汇编指令:
按引用传递 和 按地址(指针)传递
两者的汇编指令相似:
lea eax, [v1] eax <= v1 的地址push eax esp = esp - sizeof(eax), [esp] <= eax
按值传递 double 字面量
sub esp, 8 预留 8 byte (64bit) 栈空间fld qword ptr [__real@3ff199999999999a] 浮点寄存器 ST0 <= 浮点数 1.1 (64bit: 3ff199999999999a)fstp qword ptr [esp] [esp] <= ST0,不移动 esp,因为已预留 8 byte
按值传递 Complex 对象
调用 Complex copy ctor 拷贝构造对象:
sub esp, 10h 预留 16 byte 栈空间,sizeof(Complex) = 16 bytemov ecx, esp 准备 Complex copy ctor 的 this 指针lea edx, [complex_v1] 两条指令准备 Complex copy ctor 的参数 rightpush edxcall Complex ::Complex 调用 Complex copy ctor,由 callee 平衡堆栈 (thiscall)
调用 some_func()
call some_func [esp] <= eipadd esp, 28h 由 caller 平衡堆栈 (cdecl),some_func() 的参数共 40 (28h) byte
0x000000000x000000040x000000080x0000000C.....0x0012FB7C 98 fd 12 00 caller edi0x0012FB80 78 fc 12 00 caller esi0x0012FB84 00 60 fd 7f caller ebx.... sub esp, 0C0h 预留 192 byte 栈空间 (some_func).0x0012FC48 98 fd 12 00 caller ebp0x0012FC4C b1 25 41 00 调用 Complex copy ctor 时是 Complex copy ctor 的参数 right 调用 some_func() 时是 caller eip 以下是 some_func() 的参数0x0012FC50 33 33 33 33 Complex copy ctor 构造的对象,this 指针 = 起始地址 0x0012FC500x0012FC54 33 33 f3 3f 浮点数 1.2 (64bit: 3ff3333333333333)0x0012FC58 66 66 66 66 浮点数 2.3 (64bit: 4002666666666666)0x0012FC5C 66 66 02 400x0012FC60 84 fd 12 00 Complex&0x0012FC64 84 fd 12 00 Complex*0x0012FC68 9a 99 99 99 double 64bit0x0012FC6C 99 99 f1 3f0x0012FC70 74 fd 12 00 double&0x0012FC74 74 fd 12 00 double*
测试程序:
class TestClass{public: // ctor TestClass(int d = 0) : m_data(d) { cerr << "TestClass ctor: " << this << endl; } // copy ctor TestClass(const TestClass& right) : m_data(right.m_data) { cerr << "TestClass copy ctor: " << this << " <= " << &right << endl; } // dtor ~TestClass() { cerr << "TestClass dtor: " << this << endl; } // assign TestClass& operator=(const TestClass& right) { cerr << "TestClass assign: " << this << "<=" << &right << endl; m_data = right.m_data; return *this; } template<class CharT> std::basic_ostream<CharT>& output(std::basic_ostream<CharT>& os) const { os << m_data; return os; }private: int m_data;};// 被调函数TestClass get_test_obj(){ TestClass ret_obj(200); return ret_obj;}// 调用函数int main(){ TestClass obj = get_test_obj(); return 0;}
callee 用返回对象 ret_obj 初始化 class TestClass 的 返回值临时对象
临时对象的销毁时机参考 "The C++ Programming Language"
临时对象在维持它的那条语句之后被销毁,除非临时对象被约束到其它名字,此时由这个名字控制临时对象的生存期,约束不产生初始化或赋值语义,没有拷贝
callee 返回时,由 ret_obj 的存储方式,决定是否销毁
如果 ret_obj 是局部对象或 callee 参数,则在返回时销毁
caller 中根据对 callee 返回值的使用,会有不同的情况,常见如下:
用返回值赋值
TestClass obj;obj = get_test_obj(); // 返回值临时对象调用 obj.operator=() 进行拷贝,这句结束后销毁返回值临时对象
用返回值初始化
TestClass obj = get_test_obj(); // 隐式初始化对象TestClass obj(get_test_obj()); // 显式初始化对象TestClass& obj_ref = get_test_obj(); // 初始化引用
上面 3 者效果相同,均将返回值临时对象约束到 obj 或 obj_ref,期间只有一个对象本体,就是返回值临时对象,没有拷贝,之后由约束名字控制其生存期
即时使用返回值而不保存
get_test_obj().output(cout) << endl; // 返回值临时对象没有约束到其它名字cout << "bla bla bla" << endl; // 上句结束后,这句之前,销毁返回值临时对象
对上面程序的测试结果
编译器 VC 2010
编译命令 cl /Od /MDd /Zi /EHsc (Debug)
运行结果:
TestClass ctor: 0012FF44TestClass copy ctor: 0012FF64 <= 0012FF44TestClass dtor: 0012FF44TestClass dtor: 0012FF64
编译器 MinGW GCC 4
编译命令 g++ -O0 -g3 -Wall
运行结果:
TestClass ctor: 0x22ff3cTestClass dtor: 0x22ff3cGCC 返回值传递优化和 VC 的区别
因为拷贝开销,一般 不建议返回对象,除非:
返回引用类型实际是 caller 直接访问 callee 中返回值对象的别名,没有拷贝开销
返回局部变量时,可使用 返回时构造 技巧,如:
Complex<double> func_test(){ return Complex<double>(2.3, 1.2);}
return 语句中的 Complex(2.3, 1.2) 即是返回值临时对象,不调用 copy ctor 创建第 2 个临时对象,返回时没有销毁局部对象的开销
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