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调用约定

调用约定

在windows平台上的C++编程中经常会看到一些__stdcall, __cdecl, WINAPI, CALLBACK等等关键字在函数前面,在.NET中还有__clrcall, __thiscall等关键字,有时加不加它们都可以,但是有时必须加上,不然编译不过。本文要讨论的就是这些关键字:调用约定(Calling Convention),有时也叫做“函数调用约定”或者“调用规范”。本文采用MSDN的官方翻译:“调用约定”。

    那什么是调用约定呢?首先让我们看看一个函数调用到底需要经历哪几个过程,编译器到底为我们做了些什么。
1. 把函数的参数压栈或者储存到寄存器
2. 跳转到函数
3. 把函数使用到的一些寄存器压栈
4. 执行函数
5. 处理函数返回值
6. 对于第3步中压栈的那些寄存器,恢复它们原来的值
7. 根据不同的调用约定,清除第1步中压栈的参数,然后返回,或者先返回然后清除。

    可以看到第6步是第3步的逆操作,而第7步是第1,2步的逆操作,调用约定主要是定义了第1,7步骤中的规则:怎么去传递参数,谁负责去清除栈上的参数。



    在正式开始介绍各种调用约定之前,有必要说明一下:这些调用约定是和编译器相关的,所以这些关键字前都有两个下划线,不同的编译器有不同的实现。比如VC和C++ Builder对于__fastcall的定义很不一样,以至于C++ Builder引入了__msfastcall关键字来和VC的__fastcall兼容。本文将要介绍的是VC的各种调用约定,文中所有的代码在Windows 2003, Visual Studio2005中测试通过,反编译工具使用的是VS2005和WinDbg。(代码被编译成debug版本。因为在release版本中,编译器会作代码优化)

几乎我们写的每一个WINDOWS API函数都是__stdcall类型的,首先,需要了解两者之间的区别:WINDOWS的函数调用时需要用到栈(STACK,一种先入后出的存储结构)。当函数调用完成后,栈需要清除,这里就是问题的关键,如何清除?如果我们的函数使用了_cdecl,那么栈的清除工作是由调用者,用COM的术语来讲就是客户来完成的。这样带来了一个棘手的问题,不同的编译器产生栈的方式不尽相同,那么调用者能否正常的完成清除工作呢?答案是不能。如果使用__stdcall,上面的问题就解决了,函数自己解决清除工作。所以,在跨(开发)平台的调用中,我们都使用__stdcall(虽然有时是以WINAPI的样子出现)。那么为什么还需要_cdecl呢?当我们遇到这样的函数如fprintf()它的参数是可变的,不定长的,被调用者事先无法知道参数的长度,事后的清除工作也无法正常的进行,因此,这种情况我们只能使用_cdecl。到这里我们有一个结论,如果你的程序中没有涉及可变参数,最好使用__stdcall关键字。

1. __cdecl
    这个是Visual C++中最最常用的调用约定,但是在代码里并不常见。为什么呢?原因就是它太常用了,VC把它作为了默认值,也就是说一个函数如果不声明任何的调用约定,那这个函数用的就是__cdecl。下面两句是等同的。
void f(int x);
void __cdecl f(int x);
现在让我们看看编译器到底怎么实现这种调用约定的。假设我们现在编译下面这段代码:



// 调用函数f1
f1(1, 2, 3, 4); // 函数f1的实现
int __cdecl f1(int a, int b, int c, int d) { return a + b + c + d; }

编译后的反汇编是: ;调用函数f1,4个参数分别是1,2,3和4 00401093 push 4 ;参数从右到左开始压栈,先压最后一个 00401095 push 3 ;第3个参数压栈 00401097 push 2 ;第2个参数压栈 00401099 push 1 ;第1个参数压栈 0040109B call f1 (401005h) ;调用函数f1 004010A0 add esp,10h ;清除栈上的4个参数 ;函数f1的实现 push ebp ;保存寄存器ebp mov ebp,esp ;将当前栈指针赋值给ebp mov eax,dword ptr [ebp+8] ;eax为参数a add eax,dword ptr [ebp+0Ch] ;eax = eax + 参数b add eax,dword ptr [ebp+10h] ;eax = eax + 参数c add eax,dword ptr [ebp+14h] ;eax = eax + 参数d pop ebp ;恢复寄存器ebp的值 ret ;函数返回,返回值是eax 可以看到清除参数的工作是由caller(调用者,就是调用函数f1的地方)来负责。因为我们一共有4个int的参数,每个int是 4个byte,一共16个byte,换算成16进制是10h,所以上面粗体的反汇编(add esp,10h),通过直接把esp加10h来清除4个参数。(esp是指向栈顶的寄存器)
如果上面的反汇编有困难的话,可以记住这么一句话:__cdecl是由调用者来清除栈上的参数。

2. __stdcall      这个调用约定的使用也十分广泛,这也就是为什么它的名字是stdcall(standard call,标准调用)。WINAPI, CALLBACK实际上都是定义成__stdcall。Windows的大多数API函数都是采用这种调用约定。 ;调用函数f2,4个参数分别是1,2,3和4  push 4 ;和f1一样  push 3 ;和f1一样  push 2 ;和f1一样  push 1 ;和f1一样  call f2 (40100Ah)  ;函数f2的实现  push ebp ;和f1一样  mov ebp,esp ;和f1一样  mov eax,dword ptr [ebp+8] ;和f1一样  add eax,dword ptr [ebp+0Ch] ;和f1一样  add eax,dword ptr [ebp+10h] ;和f1一样  add eax,dword ptr [ebp+14h] ;和f1一样  pop ebp ;和f1一样  ret 10h ;函数返回,返回值是eax,并清除栈上的参数      通过比较,我们可以立刻发现__stdcall和__cdecl的反汇编有两个不同点:      a. __stdcall函数返回的时候使用了“ret 10h”,而__cdecl使用的是“ret”,这表明__stdcall函数在返回的时候就清除了4个参数(大小为10h),这个是函数实现部分来做的,而不是由调用者来做     b. 正因为函数本身已经清除了栈上的参数,调用者不需要在"call f2"之后再使用“add esp,10h”了。      可以看到__stdcall把函数返回和清除栈上函数合二为一,用一句“ret xxx”搞定,比__cdecl方便很多,那为什么不全部使用__stdcall呢?     这是因为 __stdcall有一个不足之处:它不能使用于那些可变参数个数的函数,比如printf, sprintf没有办法使用__stdcall。因为函数本身不知道每次调用时到底有几个参数,所以它无法确定ret后面的数字,这项工作只能让调用者自己去做。因此类似于printf, sprintf的函数都是使用__cdecl。注意:在VS2005中,如果给可变参数个数的函数用了__stdcall关键字,编译器不会报错,但是它实际上还是按照__cdecl调用约定进行编译,通过查看反汇编,然后和前面列出的反汇编进行比较,就会发现它用的是__cdecl。

3. __fastcall      在VC中这种调用约定和前两种比较起来,使用的比较少。(Borland C++的默认调用约定就是这个,但是和VC的实现有点不同。)还是让我们先看看编译器的工作。
// 调用函数f3
f3(1, 2, 3, 4); // 函数f3的实现
int __fastcall f3(int a, int b, int c, int d) { return a + b + c + d; }
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