C++函数调用栈从何而来

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文章目录

写在前面
原理综述
x86架构函数调用栈分析
如何获取rbp寄存器的值
总结

写在前面

程序员对函数调用栈是再熟悉不过了，无论是使用IDE调试还是GDB等工具进行调试，都离不开函数调用栈的分析。当我们遇到卡顿问题的时候，经常苦于没有卡顿现场，也就是函数调用栈进行分析解决。除了利用上述工具获取函数调用栈，能不能想办法在代码中记录函数调用栈，特别是卡顿的时候，还好是有办法的～

原理综述

工具能够获取调用栈一定也是某个地方记录着这样的信息。实际上函数调用栈和函数调用过程是分不开的。函数调用过程在汇编角度分析，是由一帧一帧函数帧栈过程实现。这个过程大致包含调用现场保护、栈拉伸、参数传递、函数执行、返回值传递、栈平衡、调用现场恢复等过程。整个过程比较复杂，后续会写文章说明函数调用过程，这里只用关注与函数调用栈相关的调用现场保护过程，简单分析这个过程就能得出获取调用栈的基本原理。
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调用现场保护是只在函数嵌套调用的过程中需要一块内存空间来记录调用返回后仍然需要用到的数据，可以把这些需要保存的数据理解为一种调用现场，当函数调用返回时把这些数据读到对应的寄存器，函数就能愉快的执行下去了。上图是函数调用的栈帧示意图，想要获取函数调用栈，要关注FP（存储栈底地址）和LR（存储函数返回地址）寄存器，不同平台寄存器名称不一样，但都会有这样功能类似的寄存器。FP寄存器有很重要的三个作用：

在FP存储栈底地址基础上增加值偏移，可以访问到父函数的栈内存数据（如这里的LR寄存器中的值）。
在FP存储栈底地址基础上减少值偏移，可以访问到子函数的栈内存数据（如局部变量）。
FP存储栈底地址指向的内容是父函数FP的栈顶地址，用于子函数执行完毕后回到父函数时的FP寄存器还原。

函数嵌套调用过程中，每次开辟新的函数帧栈时之前最后做的就是将PC寄存器存储下一条指令的地址压栈保存，此时LR寄存器也会存储该栈地址。进入嵌套子函数调用后第一件事就是将父函数的栈顶地址压栈保存，也就是这两者在栈空间地址是连续的，此时获取FP寄存器中地址向上偏移一个单位，再读取偏移后地址指向内容就能获取下一条指令地址。（个人理解，希望讲明白了>-<）如果用代码描述，就像这样：

while (fp) 
{pc = *(fp + 1); //pc代表存储的下一条指令地址fp = *fp; //fp指向的是父函数栈顶地址
}

x86架构函数调用栈分析

如果看完原理还有点晕>-<，别急接下来一步步分析下x86上函数调用和调用栈相关的部分。下面是一个最简单的程序，在分析之前，回顾下上面的代码，while循环中有pc寄存器和fp寄存器，需要明确的是x86上pc寄存器名称是rip，fp寄存器的名称是rbp，指向栈底，其次这里会提到rsp寄存器，它一般指向栈顶）。

int sub(int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g, int h, int i, int j, int k, int l, int m, int n, int o) {int t = a + b;printf("The sub value is:%d\n", t);return t;
}
int main(void) {int p = sub(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15);printf("the return value is:%d\n", p);return 0;
}

main:0x100003ee0 <+0>:   pushq  %rbp0x100003ee1 <+1>:   movq   %rsp, %rbp0x100003ee4 <+4>:   subq   $0x50, %rsp                # 预留 80 字节大小的栈内存空间0x100003ee8 <+8>:   movl   $0x0, -0x4(%rbp)		# 0 值写入，默认预留的大小空间，无特别场景，不会使用0x100003eef <+15>:  movl   $0x1, %edi			# 参数入 寄存器0x100003ef4 <+20>:  movl   $0x2, %esi			# 参数入 寄存器0x100003ef9 <+25>:  movl   $0x3, %edx			# 参数入 寄存器0x100003efe <+30>:  movl   $0x4, %ecx			# 参数入 寄存器0x100003f03 <+35>:  movl   $0x5, %r8d			# 参数入 寄存器0x100003f09 <+41>:  movl   $0x6, %r9d			# 参数入 寄存器0x100003f0f <+47>:  movl   $0x7, (%rsp)               # 参数入 栈内存0x100003f16 <+54>:  movl   $0x8, 0x8(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f1e <+62>:  movl   $0x9, 0x10(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f26 <+70>:  movl   $0xa, 0x18(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f2e <+78>:  movl   $0xb, 0x20(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f36 <+86>:  movl   $0xc, 0x28(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f3e <+94>:  movl   $0xd, 0x30(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f46 <+102>: movl   $0xe, 0x38(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f4e <+110>: movl   $0xf, 0x40(%rsp)		# 参数入 栈内存0x100003f56 <+118>: callq  0x100003e90               ; sub at main.c:100x100003f5b <+123>: movl   %eax, -0x8(%rbp)0x100003f5e <+126>: movl   -0x8(%rbp), %esi0x100003f61 <+129>: leaq   0x32(%rip), %rdi          ; "the return value is:%d\n"0x100003f68 <+136>: movb   $0x0, %al0x100003f6a <+138>: callq  0x100003f78               ; symbol stub for: printf0x100003f6f <+143>: xorl   %eax, %eax0x100003f71 <+145>: addq   $0x50, %rsp0x100003f75 <+149>: popq   %rbp0x100003f76 <+150>: retq

上图中的汇编是main函数调用过程，看着挺多，还好我们只用关注0x100003f56 <+118>: callq 0x100003e90 ; sub at main.c:10。callq指令完成函数帧的切换，实现在main函数中调用sub子函数，这个过程完成了两件事。首先将当前rip寄存器的值（下一条指令地址）保存到栈空间中，也就是下图中0x100003F5B保存在了栈最下方，然后将子函数sub的地址0x100003e90赋值给了rip寄存器，这样cpu下一条指令就会跳转到sub函数。

pushq %rip
movl <子函数内存地址> %rip

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下面分析sub函数，我们只用关注汇编过程的前面两行，第一行0x100003e80 <+0>: pushq %rbp ，pushq相当于两个过程，一个是subq $0x8, %rsp，这是一个栈拉伸的过程，相当于腾出8个字节的空间来，接下来是movl. %rbp, %rsp，这条指令把rbp寄存器里的值（也就是main函数的栈底地址）保存到刚刚腾出来的位置上。第二行0x100003e81 <+1>: movq %rsp, %rbp ，将rsp寄存器的值赋值给rbp寄存器，其实就是让rbp寄存器指向了sub函数的栈底。

  sub:0x100003e80 <+0>:  pushq  %rbp # 以上，将父函数的 rbp 值存入栈底0x100003e81 <+1>:  movq   %rsp, %rbp # 以上，将当前函数的 rsp 值赋予 rbp，此时 rbp 是子函数的栈底0x100003e84 <+4>:  subq   $0x20, %rsp # 以上，将 rsp 值减少 32 字节偏移，开辟栈预留内存空间0x100003e88 <+8>:  movl   0x50(%rbp), %eax0x100003e8b <+11>: movl   0x48(%rbp), %eax0x100003e8e <+14>: movl   0x40(%rbp), %eax0x100003e91 <+17>: movl   0x38(%rbp), %eax0x100003e94 <+20>: movl   0x30(%rbp), %eax0x100003e97 <+23>: movl   0x28(%rbp), %eax0x100003e9a <+26>: movl   0x20(%rbp), %eax0x100003e9d <+29>: movl   0x18(%rbp), %eax0x100003ea0 <+32>: movl   0x10(%rbp), %eax # 以上，根据 栈底 rbp 做增加值偏移，获取父函数的栈内存数据，即入参0x100003ea3 <+35>: movl   %edi, -0x4(%rbp)0x100003ea6 <+38>: movl   %esi, -0x8(%rbp)0x100003ea9 <+41>: movl   %edx, -0xc(%rbp)0x100003eac <+44>: movl   %ecx, -0x10(%rbp)0x100003eaf <+47>: movl   %r8d, -0x14(%rbp)0x100003eb3 <+51>: movl   %r9d, -0x18(%rbp) # 以上，将入参寄存器的值存入当前栈内存空间，做减小值偏移0x100003eb7 <+55>: movl   -0x4(%rbp), %eax0x100003eba <+58>: addl   -0x8(%rbp), %eax # 以上，完成 a + b 操作0x100003ebd <+61>: movl   %eax, -0x1c(%rbp) # 以上，将 a + b 的结果，存入栈内存空间0x100003ec0 <+64>: movl   -0x1c(%rbp), %esi0x100003ec3 <+67>: leaq   0xd4(%rip), %rdi          ; "The return value is:%d\n"0x100003eca <+74>: movb   $0x0, %al0x100003ecc <+76>: callq  0x100003f7e               ; symbol stub for: printf # 以上，调用 printf 函数开始打印 a + b 的值0x100003ed1 <+81>: movl   -0x1c(%rbp), %eax0x100003ed4 <+84>: addq   $0x20, %rsp0x100003ed8 <+88>: popq   %rbp0x100003ed9 <+89>: retq

注意这是一个连续的过程，所以栈上也是连续的，下图可以看出main函数最后callq指令保存指令地址0x100003F5B的栈位置就在当前rbp寄存器指向位置的上方，所以只要得到rbp寄存器指向的位置，加上1就能得到我们想要的指令地址了。还有重要的一点是rbp寄存器指向的内容是父函数（这里是main函数）的栈底地址，通过这个地址加1又能得到上一层指令地址了，如此循环往复，得到调用栈指日可待～
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如何获取rbp寄存器的值

不同操作系统有不同的系统调用来获取线程寄存器的状态，这里提供一个基于架构的通用思路，使用内联汇编的方式来获取。

int get_rbp_value() {int value;__asm__("movl %%rbp, %0" : "=r" (value));return value;
}

这段代码使用GCC的内联汇编语法，通过movl指令将rbp寄存器的值移动到一个局部变量value中。"=r"是一个输出约束，表示将结果存储在提供的变量中。在这个例子中，我们使用%0来引用输出变量value。当这段代码被执行时，rbp寄存器的值就会被读取并存储在value中，然后返回给调用者。这里因为是内联汇编，为了区分寄存器和变量，所以寄存器前有两个%。
当获取到指令地址后，就可以通过类似backtrace_symbols、address2line等方式获取对于的函数调用字符串形式，这块还没实践过，后续有时间研究研究>-<。