06_函数

一、内存寻址与指针体系演进 (Near vs Far)

在 16 位实模式下，由于寄存器宽度（16位）小于物理地址总线宽度（20位），内存采用“段基址:偏移地址”进行分段寻址。这种硬件层面的限制直接衍生了近指针与远指针的概念。

1. 近指针 (Near Pointer) 与远指针 (Far Pointer)

近指针 (Near Pointer)：仅包含 16 位偏移地址。默认引用当前数据段 (DS) 或代码段 (CS)。在 C 语言（如 16 位编译器 Turbo C）中对应常规的 void*。
远指针 (Far Pointer)：包含 16 位段地址 + 16 位偏移地址（共 32 位）。用于跨段访问内存或代码。在 Turbo C 中需显式声明为 void far *。

2. 指针跨段操作指令 (LDS / LES)

当需要加载远指针中的 32 位数据以访问外部数据段时，使用专用装入指令：

LDS reg, mem：从内存 mem 处读取 32 位数据，将高 16 位（段基址）装入 DS 寄存器，低 16 位（偏移量）装入指定的 16 位通用寄存器 reg。
LES reg, mem：机制相同，但将段基址装入 ES (附加段寄存器)。

3. 数据宽度修饰符 (ptr)

word ptr：2 字节（16位）。实模式下常用于近指针。
dword ptr：4 字节（32位）。实模式下常用于定义远指针（16位段+16位偏移）；在 32 位平坦模式下为默认近指针宽度。
fword ptr (Far Word)：6 字节（48位）。这是 32 位保护模式下的远指针结构，包含 16 位段选择子 (Segment Selector) 和 32 位偏移地址。

4. 架构演进对指针的影响

32 位保护模式 / 64 位长模式：引入平坦内存模型 (Flat Memory Model)。段基址始终固定为 0（由操作系统接管段页式管理），偏移地址扩展至 32 位/64 位，足以覆盖整个物理/虚拟地址空间。因此，在现代 32/64 位操作系统及编译器（如 GCC/MSVC）中，远近指针的区分被彻底废弃，所有指针本质上都是“近指针”。

二、 CALL 与 RET 指令的核心动作与栈帧结构

函数调用的本质是对指令指针及栈帧的保存与切换。因跨段需求不同，底层行为存在差异。

1. 近调用 (Near Call) 机制

仅在同一代码段内跳转，不修改 CS。

CALL f (近)：隐式执行 push ip（将 CALL 后的下一条指令偏移（返回地址）压栈），然后 jmp f。
RET：隐式执行 pop ip。

2. 远调用 (Far Call) 机制与远栈帧

跨代码段调用，必须同时保存段基址 (CS) 和偏移地址 (IP)。

CALL far ptr f：硬件会连续执行三个隐式操作：
1. push cs （保存调用者的段基址）
2. push offset back （下一跳指令的偏移）
3. jmp far ptr f （修改 CS:IP 跳转至目标）
RETF (Return Far)：硬件连续执行出栈恢复：
1. pop ip
2. pop cs

远调用栈帧结构剖析：

当执行远调用时，栈帧中会多压入一个 CS。被调用函数内部获取参数的偏移量需要相应改变。

; 主程序 (Caller)
mov ax, 3
push ax         ; 参数 3 入栈 (地址偏高)
mov ax, 5
push ax         ; 参数 5 入栈
call far ptr f  ; 压入 CS 和 IP

; 被调用程序 (Callee)
f:
push bp         ; 保护原 BP
mov bp, sp      ; 建立当前栈帧基址
; 此时栈结构如下：
; [bp+0]  -> 保存的旧 BP
; [bp+2]  -> 返回地址的 IP
; [bp+4]  -> 返回地址的 CS      <-- 远调用新增
; [bp+6]  -> 参数 5            <-- 取第一参数需 [bp+6] 而非近调用的 [bp+4]
; [bp+8]  -> 参数 3
mov ax, [bp+6]  ; ax = 5
sub ax, [bp+8]  ; ax = 5 - 3 = 2
pop bp
retf            ; 远返回

三、函数传参、局部变量与调用约定

调用约定规定了主程序与子程序之间的接口协议，包括参数传递顺序、寄存器使用以及谁负责清理堆栈。

1. 经典调用约定对比

调用约定	压栈顺序	传参方式	清栈方	适用场景 / 语言	汇编特征表现
cdecl	右 -> 左	纯堆栈	调用者 (Caller)	C/C++ 默认，支持不定长参数 (`printf`)	`ret` 后紧跟 `add sp, ?` 平衡堆栈
stdcall	右 -> 左	纯堆栈	被调用者 (Callee)	Win32 API 核心标准	子程序末尾通过 `ret 4` 直接清栈
Pascal	左 -> 右	纯堆栈	被调用者 (Callee)	早期 Pascal, Delphi	无法支持可变参数
fastcall	右 -> 左	寄存器 + 堆栈	被调用者 (Callee)	32位性能敏感程序	前两个参数存于 `ECX`, `EDX`，其余压栈

2. 局部动态变量的定义与引用

局部变量的生命周期仅存在于函数执行期间，它们不占用数据段 (DS)，而是动态分配在栈上。

分配：在函数序言建立栈底基址 (mov bp, sp) 后，通过减小栈指针开辟空间，如 sub sp, 8（开辟 8 字节局部空间）。
访问：参数通过正向偏移访问 ([bp+4], [bp+6])，局部变量通过负向偏移访问 ([bp-2], [bp-4])。
释放：在函数结束前，通过 mov sp, bp 直接废弃局部变量空间，恢复栈顶。

3. 递归的汇编机制

递归的本质是函数的自身调用产生多个独立的栈帧。

每次执行 CALL，CPU 都会压入当前层级的返回地址。
每次进入函数，都会执行 push bp; mov bp, sp; sub sp, N，在物理内存栈中划出一块全新、独立的区域（包含这一层级独有的局部变量和状态）。
因为局部状态均以当前 BP 为基准引用（非绝对地址），所以深层递归不会覆盖浅层的变量数据。
触发终止条件后，依次回退栈帧，执行 mov sp, bp; pop bp; ret 逐层折叠返回。

注意事项：先写 base case，注意入栈保护、出栈恢复寄存器，优先使用堆栈传递参数。

四、跨越 16 位到 64 位的参数传递与栈帧演进

1. 16 位 / 32 位 (堆栈传参为主)

32 位时代引入了标准的序言 (Prologue) 和 结语 (Epilogue) 模式：

; Prologue
push ebp
mov ebp, esp
sub esp, <LocalSize>
; ... 执行体 ...
; Epilogue
mov esp, ebp  ; (现代 x86 中可用 leave 指令替代此两句)
pop ebp
ret

2. 64 位 x64 (寄存器传参为主，Shadow Space)

64 位彻底抛弃了 32 位混乱的调用约定分支，统一走向基于寄存器的高效传参路线。

System V ABI (Linux/Mac)：前 6 个整型参数强制使用寄存器 RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9。超过 6 个的部分才从右向左压栈。
Win64 ABI (Windows)：前 4 个参数强制使用 RCX, RDX, R8, R9。
影子空间 (Shadow Space/Spill Space)：
- 在 Win64 ABI 中，即使参数通过寄存器传递，调用者 (Caller) 也必须在 CALL 之前，在自己栈顶开辟 32 字节 (4 x 8 bytes) 的预留空间。
- 作用：为子程序提供“避风港”。如果子程序过于复杂，需要利用这 4 个传参寄存器做其他运算，子程序可直接将 RCX, RDX, R8, R9 的内容“溢出”存入这 32 字节的影子空间中保存，而无需重新开辟栈空间。

64 位和 32 位系统调用时的传参顺序特殊，64 位第四个参数从 RCX 变为 R10，因为 RIP 会存入 RCX。 32 位全部寄存器传参，从左到右 ebx ecx edx esi edi ebp。