函数调用：为什么会发生stack overflow？

在开发软件的过程中我们经常会遇到错误，如果你用 Google 搜过出错信息，那你多少应该都访问过Stack Overflow这个网站。作为全球最大的程序员问答网站，Stack Overflow 的名字来自于一个常见的报错，就是栈溢出（stack overflow）。

今天，我们就从程序的函数调用开始，讲讲函数间的相互调用，在计算机指令层面是怎么实现的，以及什么情况下会发生栈溢出这个错误。

为什么我们需要程序栈？

和前面一样，我们还是从一个非常简单的 C 程序 function_example.c 看起。

// function_example.c
#include <stdio.h>
int static add(int a, int b)
{return a+b;
}int main()
{int x = 5;int y = 10;int u = add(x, y);
}

这个程序定义了一个简单的函数 add，接受两个参数 a 和 b，返回值就是 a+b。而 main 函数里则定义了两个变量 x 和 y，然后通过调用这个 add 函数，来计算 u=x+y，最后把 u 的数值打印出来。

$ gcc -g -c function_example.c
$ objdump -d -M intel -S function_example.o

我们把这个程序编译之后，objdump 出来。我们来看一看对应的汇编代码。

int static add(int a, int b)
{0:   55                      push   rbp1:   48 89 e5                mov    rbp,rsp4:   89 7d fc                mov    DWORD PTR [rbp-0x4],edi7:   89 75 f8                mov    DWORD PTR [rbp-0x8],esireturn a+b;a:   8b 55 fc                mov    edx,DWORD PTR [rbp-0x4]d:   8b 45 f8                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x8]10:   01 d0                   add    eax,edx
}12:   5d                      pop    rbp13:   c3                      ret    
0000000000000014 <main>:
int main()
{14:   55                      push   rbp15:   48 89 e5                mov    rbp,rsp18:   48 83 ec 10             sub    rsp,0x10int x = 5;1c:   c7 45 fc 05 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x5int y = 10;23:   c7 45 f8 0a 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x8],0xaint u = add(x, y);2a:   8b 55 f8                mov    edx,DWORD PTR [rbp-0x8]2d:   8b 45 fc                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x4]30:   89 d6                   mov    esi,edx32:   89 c7                   mov    edi,eax34:   e8 c7 ff ff ff          call   0 <add>39:   89 45 f4                mov    DWORD PTR [rbp-0xc],eax3c:   b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
}41:   c9                      leave  42:   c3                      ret

可以看出来，在这段代码里，main 函数和上一节我们讲的的程序执行区别并不大，它主要是把 jump 指令换成了函数调用的 call 指令。call 指令后面跟着的，仍然是跳转后的程序地址。

这些你理解起来应该不成问题。我们下面来看一个有意思的部分。

我们来看 add 函数。可以看到，add 函数编译之后，代码先执行了一条 push 指令和一条 mov 指令；在函数执行结束的时候，又执行了一条 pop 和一条 ret 指令。这四条指令的执行，其实就是在进行我们接下来要讲压栈（Push）和出栈（Pop）操作。

你有没有发现，函数调用和上一节我们讲的 if…else 和 for/while 循环有点像。它们两个都是在原来顺序执行的指令过程里，执行了一个内存地址的跳转指令，让指令从原来顺序执行的过程里跳开，从新的跳转后的位置开始执行。

但是，这两个跳转有个区别，if…else 和 for/while 的跳转，是跳转走了就不再回来了，就在跳转后的新地址开始顺序地执行指令，就好像徐志摩在《再别康桥》里面写的：“我挥一挥衣袖，不带走一片云彩”，继续进行新的生活了。而函数调用的跳转，在对应函数的指令执行完了之后，还要再回到函数调用的地方，继续执行 call 之后的指令，就好像贺知章在《回乡偶书》里面写的那样：“少小离家老大回，乡音未改鬓毛衰”，不管走多远，最终还是要回来。

那我们有没有一个可以不跳转回到原来开始的地方，来实现函数的调用呢？直觉上似乎有这么一个解决办法。你可以把调用的函数指令，直接插入在调用函数的地方，替换掉对应的 call 指令，然后在编译器编译代码的时候，直接就把函数调用变成对应的指令替换掉。

不过，仔细琢磨一下，你会发现这个方法有些问题。如果函数 A 调用了函数 B，然后函数 B 再调用函数 A，我们就得面临在 A 里面插入 B 的指令，然后在 B 里面插入 A 的指令，这样就会产生无穷无尽地替换。就好像两面镜子面对面放在一块儿，任何一面镜子里面都会看到无穷多面镜子。

Infinite Mirror Effect，如果函数 A 调用 B，B 再调用 A，那么代码会无限展开，图片来源

看来，把被调用函数的指令直接插入在调用处的方法行不通。那我们就换一个思路，能不能把后面要跳回来执行的指令地址给记录下来呢？就像前面讲 PC 寄存器一样，我们可以专门设立一个“程序调用寄存器”，来存储接下来要跳转回来执行的指令地址。等到函数调用结束，从这个寄存器里取出地址，再跳转到这个记录的地址，继续执行就好了。

//未完待续....