重学计算机组成原理(六)- 函数调用怎么突然Stack Overflow了!(下)

2 构造Stack Overflow

通过引入栈,我们可以看到,无论有多少层的函数调用,或者在函数A里调用函数B,再在函数B里调用A

这样的递归调用,我们都只需要通过维持rbp和rsp,这两个维护栈顶所在地址的寄存器,就能管理好不同函数之间的跳转

不过,栈的大小也是有限的。如果函数调用层数太多,我们往栈里压入它存不下的内容,程序在执行的过程中就会遇到栈溢出的错误,这就是stack overflow


构造一个栈溢出的错误

并不困难,最简单的办法,就是我们上面说的Infiinite Mirror Effect的方式,让函数A调用自己,并且不设任何终止条件

这样一个无限递归的程序,在不断地压栈过程中,将整个栈空间填满,并最终遇上stack overflow。

int a()
{
  return a();
}


int main()
{
  a();
  return 0;
}

除了无限递归,递归层数过深,在栈空间里面创建非常占内存的变量(比如一个巨大的数组),这些情况都很可能给你带来stack overflow

相信你理解了栈在程序运行的过程里面是怎么回事,未来在遇到*这个错误的时候,不会完全没有方向了。

3 利用函数内联实现性能优化

上面我们提到一个方法,把一个实际调用的函数产生的指令,直接插入到的位置,来替换对应的函数调用指令。尽管这个通用的函数调用方案,被我们否决了,但是如果被调用的函数里,没有调用其他函数,这个方法还是可以行得通的。


事实上,这就是一个常见的编译器进行自动优化的场景,我们通常叫函数内联(Inline)

只要在GCC编译的时候,加上对应的一个让编译器自动优化的参数-O,编译器就会在可行的情况下,进行这样的指令替换。


案例

重学计算机组成原理(六)- 函数调用怎么突然Stack Overflow了!(下)

为了避免编译器优化掉太多代码,小小修改了一下function.c,让参数x和y都变成了,通过随机数生成,并在代码的最后加上将u通过printf打印

[hadoop@JavaEdge Documents]$ vim function.c
[hadoop@JavaEdge Documents]$ gcc -g -c -O function.c 
[hadoop@JavaEdge Documents]$ objdump -d -M intel -S function.o

function.o:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
{
    return a+b;
}

int main()
{
   0:   53                      push   rbx
   1:   bf 00 00 00 00          mov    edi,0x0
   6:   e8 00 00 00 00          call   b <main+0xb>
   b:   89 c7                   mov    edi,eax
   d:   e8 00 00 00 00          call   12 <main+0x12>
  12:   e8 00 00 00 00          call   17 <main+0x17>
  17:   89 c3                   mov    ebx,eax
  19:   e8 00 00 00 00          call   1e <main+0x1e>
  1e:   89 c1                   mov    ecx,eax
  20:   bf 67 66 66 66          mov    edi,0x66666667
  25:   89 d8                   mov    eax,ebx
  27:   f7 ef                   imul   edi
  29:   d1 fa                   sar    edx,1
  2b:   89 d8                   mov    eax,ebx
  2d:   c1 f8 1f                sar    eax,0x1f
  30:   29 c2                   sub    edx,eax
  32:   8d 04 92                lea    eax,[rdx+rdx*4]
  35:   29 c3                   sub    ebx,eax
  37:   89 c8                   mov    eax,ecx
  39:   f7 ef                   imul   edi
  3b:   c1 fa 02                sar    edx,0x2
  3e:   89 d7                   mov    edi,edx
  40:   89 c8                   mov    eax,ecx
  42:   c1 f8 1f                sar    eax,0x1f
  45:   29 c7                   sub    edi,eax
  47:   8d 04 bf                lea    eax,[rdi+rdi*4]
  4a:   01 c0                   add    eax,eax
  4c:   29 c1                   sub    ecx,eax
#include <time.h>
#include <stdlib.h>

int static add(int a, int b)
{
    return a+b;
  4e:   8d 34 0b                lea    esi,[rbx+rcx*1]
{
    srand(time(NULL));
    int x = rand() % 5;
    int y = rand() % 10;
    int u = add(x, y);
    printf("u = %d\n", u);
  51:   bf 00 00 00 00          mov    edi,0x0
  56:   b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  5b:   e8 00 00 00 00          call   60 <main+0x60>
  60:   b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  65:   5b                      pop    rbx
  66:   c3                      ret    

上面的function.c的编译出来的汇编代码,没有把add函数单独编译成一段指令顺序,而是在调用u = add(x, y)的时候,直接替换成了一个add指令。


除了依靠编译器的自动优化,你还可以在定义函数的地方,加上inline的关键字,来提示编译器对函数进行内联。


内联带来的优化是,CPU需要执行的指令数变少了,根据地址跳转的过程不需要了,压栈和出栈的过程也不用了。


不过内联并不是没有代价,内联意味着,我们把可以复用的程序指令在调用它的地方完全展开了。如果一个函数在很多地方都被调用了,那么就会展开很多次,整个程序占用的空间就会变大了。

这样没有调用其他函数,只会被调用的函数,我们一般称之为叶子函数(或叶子过程)


重学计算机组成原理(六)- 函数调用怎么突然Stack Overflow了!(下)

3 总结

这一节,我们讲了一个程序的函数间调用,在CPU指令层面是怎么执行的。其中一定需要你牢记的,就是程序栈这个新概念。


我们可以方便地通过压栈和出栈操作,使得程序在不同的函数调用过程中进行转移。而函数内联和栈溢出,一个是我们常常可以选择的优化方案,另一个则是我们会常遇到的程序Bug。


通过加入了程序栈,我们相当于在指令跳转的过程种,加入了一个“记忆”的功能,能在跳转去运行新的指令之后,再回到跳出去的位置,能够实现更加丰富和灵活的指令执行流程。这个也为我们在程序开发的过程中,提供了“函数”这样一个抽象,使得我们在软件开发的过程中,可以复用代码和指令,而不是只能简单粗暴地复制、粘贴代码和指令。

4 推荐阅读

可以仔细读一下《深入理解计算机系统(第三版)》的3.7小节《过程》,进一步了解函数调用是怎么回事。

另外,我推荐你花一点时间,通过搜索引擎搞清楚function.c每一行汇编代码的含义,这个能够帮你进一步深入了解程序栈、栈帧、寄存器以及Intel CPU的指令集。

参考

深入浅出计算机组成原理

上一篇:【Groovy】Groovy 方法调用 ( Java 类成员及 setter 和 getter 方法设置 | Groovy 类自动生成成员的 getter 和 setter 方法 )


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