函式呼叫與空間分配

劉小緒同學發表於2018-11-18
函式

    我們在程式設計序的時候，都會把某一個特定功能封裝在一個函式裡面，對外暴露一個介面，而隱藏了函式行為的具體實現，一個大型的複雜系統裡面包含了很多這樣的小函式，我們稱之為過程。

    過程是相對獨立的小模組，系統的執行需要這些過程的緊密合作，這種合作就是函式呼叫。

    在一個函式執行時呼叫別的函式，比如 P 呼叫 Q，需要執行一些特定的動作。傳遞控制，在呼叫 Q 之前，控制權在 P 的手裡，既然要呼叫 Q，那麼就需要把控制權交給 Q；傳遞資料，就是函式傳參；分配與釋放記憶體，在開始時，Q 可能需要位區域性變數分配空間，結束時又必須釋放這些儲存空間。

    大多數語言都使用棧提供的先進後出機制來管理記憶體，x86-64 可以通過通用暫存器傳遞最多 6 個整數值（整數或地址），如果超過 6 個，那就需要在棧中分配記憶體，並且通過棧傳遞引數時，所有資料的大小都要向 8 的倍數對齊。將控制權從 P 轉交給 Q，只需要將 PC（程式計數器）的值置為 Q 程式碼的起始位置，並記錄好 P 執行的位置，方便 Q 執行完了，繼續執行 P 剩餘的程式碼。

    在函式的傳參、執行中，多多少少都需要空間來儲存變數，區域性資料能儲存在暫存器中就會儲存在暫存器中，如果暫存器不夠，將會儲存在記憶體中。除了暫存器不夠用的情況，還有陣列、結構體和地址等區域性變數都必須儲存在記憶體中。分配記憶體很簡單，只需要減小棧指標的值就行了，同樣釋放也只需要增加棧指標。

    在函式執行過程中，處理棧指標%rsp，其它暫存器都被分類為被呼叫者儲存暫存器，即當過程 P 呼叫過程 Q 時，Q 必須儲存這些暫存器的值，保證它們的值在 Q 返回到 P 時與 Q 被呼叫時是一樣的。

    所以遞迴也就不難理解了，初學演算法總覺得遞迴有點奇妙，怎麼自己呼叫自己，而實際上對於計算機來說，它和呼叫其它函式沒什麼區別，在計算機眼裡，沒有自身與其它函式的區別，所有被呼叫者都是其它人。

    陣列是程式設計中不可或缺的一種結構，“陣列是分配在連續的記憶體中”這句話已經爛熟於心了，歷史上，C 語言只支援大小在編譯時就能確定的多維陣列，這個多多少少有一些不便利，所以在ISO C99標準中就引入了新的功能，允許陣列的維度是表示式。

int A[expr1][expr2]

    因為陣列是連續的記憶體，所以很容易就能訪問到指定位置的元素，它通過首地址加上偏移量即可計算出對應元素的地址，這個偏移量一定意義上就是由索引給出。

    比如現在有一個陣列A，那麼A[i]就等同於表示式* (A + i)，這是一個指標運算。C 語言的一大特性就是指標，既是優點也是難點，單操作符&和*可以產生指標和簡介引用指標，也就是，對於一個表示某個物件的表示式expr，&expr給出該物件地址的一個指標，而對於一個表示地址的表示式Aexpr，*Aexpr給出該地址的值。

    即使我們建立巢狀（多維）陣列，上面的一般原則也是成立的，比如下面的例子。

int A[5][3];

// 上面宣告等價於下面
typedef int row3_t[3];
row3_t A[5];

    這個陣列在記憶體的中就是下面那個樣子的。

image

    還有一個重要的概念叫做資料對齊，即很多計算機系統要求某種型別的物件的地址必須是某個值 K（一般是2、4 或 8）的倍數，這種限制簡化了處理器和記憶體介面之間的設計，甚至有的系統沒有進行資料對齊，程式就無法正常執行。

    比如現在有一個如下的結構體。

struct S1 {
    int i;
    char c;
    int j;
}

    如果編譯器用最小的 9 位元組分配，那麼將是下面的這個樣子。

image

    但是上面這種結構無法滿足 i 和 j 的 4 位元組對齊要求，所以編譯器會在 c 和 j 之間插入 3 個位元組的間隙。

image

    在極客時間專欄中有這樣一段程式碼。

int main(int argc, char *argv[]){
    int i = 0;
    int arr[3] = {0};
    for(; i <= 3; i++){
        arr[i] = 0;
        printf("Hello world!\n");
    }
    return 0;
}

    這段程式碼神奇的是在某種情況下會一直迴圈的輸出Hello world，並不會結束，在計算機系統漫遊（補充）中也提到過。

    造成上面這種結果是因為函式體內的區域性變數存在棧中，並且是連續壓棧，而 Linux 中棧又是從高向低增長。陣列arr中是 3 個元素，加上 i 是 4 個元素，剛好滿足 8 位元組對齊（編譯器 64 位系統下預設會 8 位元組對齊），變數i在陣列arr之前，即i的地址與arr相鄰且比它大。

    程式碼中很明顯訪問陣列時越界了，當i為 3 時，實際上正好訪問到變數i的地址，而迴圈體中又有一句arr[i] = 0;，即又把i的值設定為了 0，由此就導致了死迴圈。

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