详解C语言中函数是如何被调用的
详解C语言中函数是如何被调用的
函数调用是程序执行的核心，无论是递归调用、事件驱动还是回调函数，都需要通过函数调用来控制程序的执行顺序。本文将从CPU的基本组成单元开始，逐步深入讲解函数调用的底层机制，帮助读者理解计算机是如何执行函数调用的。
前言
函数（方法）调用是程序执行的核心。尤其是在递归调用、事件驱动、回调函数等模式，都需要根据函数调用来控制程序的执行顺序。
函数如何被调用？
众所周知，计算机中CPU负责执行指令、控制程序的流向并进行数据处理。它的主要组成是：
算术逻辑单元（ALU，Arithmetic and Logic Unit）：负责执行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非等）。
控制单元（CU，Control Unit）：负责解码指令并控制其他硬件的执行。
寄存器组（Registers）：由多个寄存器构成，提供高速的临时数据存储，辅助CPU执行操作。
缓存（Cache）：存储常用数据和指令，以提高CPU访问速度。
其中控制单元（CU）是CPU的核心，它负责从内存中取出指令并进行解码，控制指令的执行顺序，主要负责从内存中获取指令，并将其送到寄存器，解码指令并决定哪些操作需要执行，发送控制信号给其他单元，并通过控制信号来启动 ALU（算术逻辑单元）或其他部件的操作，或执行数据存储、读取等任务。
算术逻辑单元（ALU）负责在控制单元指示 ALU 执行加法或其他算术操作时，ALU 会接收两个操作数（通常来自寄存器或内存），并计算出结果，或者进行逻辑运算，例如检查两个数字是否相等（比较运算）或执行位运算。ALU 计算的结果通常会存储回寄存器中，或者传递到控制单元进行下一步操作。
当然，CPU只能机械执行指令。不知道整个程序的执行顺序和步骤，因此需要将函数的参数、内部变量、计算结果、返回地址等大量中间数据暂存下来给CPU指路。上述过程中反复被提及的寄存器，就是负责为CPU临时存储正在执行的指令、数据和状态信息。它们比内存速度更快，但存储容量较小。正是依靠存储在寄存器中的信息，使得CPU能按照我们的想法完成程序的执行。
在早期计算机涉及或者教育性CPU结构中，寄存器通常被明确地定义和使用。而在现代复杂的架构（如x86、ARM等）中，这些寄存器的功能被集成进了不同的硬件单元中，通过指令流水线、寄存器重命名等方式进行优化，因此不再显式定义为独立的寄存器。不过现在我们依然能通过这些早期寄存器更好的理解CPU工作。如在冯·诺依曼架构的计算机模型中，CPU主要通过几个明确的寄存器来执行操作：
IR（Instruction Register）：用于存储当前正在执行的指令，通常与程序计数器（PC）紧密配合。在一些简单的架构中，IR是一个单独的寄存器，明确地存储当前指令。
PC（Program Counter）：指示下一条指令的内存地址。
AR（Address Register）：在某些简单架构中，AR寄存器专门用于存储内存地址。例如，在早期的微处理器中，AR寄存器用于计算内存访问地址。
DR（Data Register）：用于存储数据，通常在从内存读取数据或写入数据时使用。
这些寄存器的协作保证了函数调用的正常执行和数据的正确传递。
到这里不免要好奇究竟CPU利用这些数据做了什么才能完成函数执行，我们通过一个例子来说明。
现在我们有一个模型要拼装，拼装模型需要用到工具，于是在拼模型之前我们先去工具店买了点工具，接着回来完成模型拼装。
在这段逻辑中，我们按照任务出现的时间顺序将拼模型视作任务1，拿工具视作任务2，时间序列为：
即要先完成后出现的任务2才能完成任务1。
现在这里有一个计算a的值程序：
int plus5(int a) {
return a+5;
}
int main() {
int a = 6;
printf("%d", plus5(a));
return 0;
}
我们通过执行入口函数main，main函数再调用plus5函数计算，最终由main返回计算结果。即
可以看到程序执行过程中，先被调用的main函数却是在Plus5后面输出。
我们把这个程序稍微拆分一下
int plus3(int a) {
return a + 3;
}
int plus2(int a) {
a = a + 2;
return plus3(a);
}
int main() {
int a;
scanf("%d", &a);
printf("%d", plus2(a));
return 0;
}
现在的调用链是这样
可以看到最开始被调用的函数总是在最后输出，最后被调用的函数总是最先输出。基于这种先进后出（FILO）的特性，我们采用栈（Stack）来为CPU存储调用链信息，称这个栈为“调用栈”（Call Stack），调用栈中每个元素都是一个函数的调用信息，每当程序调用一个函数时，相关的信息就会被推入调用栈，执行完一个函数后，栈中的相应信息会被弹出，CPU按照先进后出的顺序调用函数。想要根据调用栈上的信息完成程序调用，栈元素必须包含必要的函数信息，通常包括：
返回地址（Return Address）： 记录函数调用完成后，程序应该跳转的地方（即调用该函数的下一条指令的位置）。
参数（Arguments）： 调用函数时传递给函数的参数。如果参数较多，它们通常被压入栈中，或通过寄存器传递。
局部变量（Local Variables）： 函数内部声明的局部变量，通常存储在栈帧中。
保存的寄存器（Saved Registers）： 如果函数调用修改了一些寄存器的值，调用者需要保存这些寄存器的值，以便函数返回时可以恢复这些寄存器。
这样一来，在main调用plus2时，会在调用栈中压入一段存有plus2信息的内存空间，我们把这段内存空间称为栈帧（Stack Frame），即调用栈是由栈帧组成。如下图所示：
在单线程程序中，只有一个Call Stack，所有函数的调用与返回都通过这个单一的栈来管理。
而在多线程程序中，每个线程都有一个独立的Call Stack，栈帧和函数调用都在各自的线程栈中管理。
有了这些函数信息，现在的CPU可以使用IR寄存器存储当前正在执行的指令。
在函数调用时，IR首先加载调用指令，并执行该指令的解码。PC寄存器存储下一条执行指令的地址。PC会保存当前指令地址作为返回地址，并更新为目标函数的地址。AR寄存器指向栈中保存的函数参数地址或局部变量地址，确保函数可以正确访问其数据。DR寄存器用来传递参数、存储返回值或临时存储计算结果。现在，这些寄存器的协作保证了函数调用的正常执行和数据的正确传递。通过控制PC跳转、使用AR访问参数和局部变量、利用DR传递数据，CPU能够顺利地进行函数调用并确保执行流能够正确地返回到调用点。
在CPU主流架构如x86中，函数间调用涉及到两个关键指针ESP与EBP。它们是 x86 架构中的栈指针和基指针寄存器，分别用于栈操作和函数调用的管理。
ESP（Extended Stack Pointer），即栈指针寄存器，用于指向当前栈的顶端位置。在x86 架构中，它跟踪栈的当前位置，在函数调用、局部变量分配等操作时非常重要。
EBP （Extended Base Pointer），即基指针寄存器，通常用于存储当前栈帧的基地址。它帮助在函数调用中访问参数和局部变量，尤其是在调用约定中用来计算和定位局部变量和传递给函数的参数。
关于x86架构函数调用中具体操作可以查阅下面这个文章：
【详解】函数栈帧——多图（c语言）