【genius_platform软件平台开发】第四十讲:__stdcall、__cdecl、__fastcall、__thiscall、__pascal和__naked call详解

发布于:2022-11-29 ⋅ 阅读:(399) ⋅ 点赞:(0)

     C语言中,有一个函数:int func(int a,int b)
调用时只要用result = func(1,2)这样就可以使用这个函数。在CPU中,计算机没有办法知道一个函数调用需要多少个、什么样的参数,也没有硬件可以保存这些参数。也就是说,计算机不知道怎么给这个函数传递参数,传递参数的工作必须由函数调用者和函数本身来协调。为此,计算机提供了一种被称为栈的数据结构来支持参数传递。

     栈是一种先进后出数据结构,栈有一个存储区、一个栈顶指针。栈顶指针指向堆栈中第一个可用的数据项(被称为栈顶)。用户可以在栈顶上方向栈中加入数据,这个操作被称为压栈(Push),压栈以后,栈顶自动变成新加入数据项的位置,栈顶指针也随之修改。用户也可以从堆栈中取走栈顶,称为弹出栈(pop),弹出栈后,栈顶下的一个元素变成栈顶,栈顶指针随之修改。

     函数调用时,调用者依次把参数压栈,然后调用函数,函数被调用以后,在堆栈中取得数据,并进行计算。函数计算结束以后,调用者或者函数本身修改栈,使堆栈恢复原状

    在参数传递中,有两个很重要的问题必须得到明确说明:
当参数个数多于一个时,按照什么顺序把参数压入堆栈,函数调用后由谁来堆栈恢复原状

1. __stdcall:很多时候被称为pascal调用约定,因为pascal是早期很常见的一种教学用计算机程序设计语言,其语法严谨,使用的函数调用约定就是stdcall。在Microsoft C++系列的C/C++编译器中,常常用PASCAL宏来声明这个调用约定,类似的宏还有WINAPICALLBACK
     __stdcall调用约定声明的语法为(以前文的那个函数为例):
int __stdcall func(int a,int b)
     __stdcall的调用约定意味着:

                     1)参数从右向左压入堆栈。

                     2)函数自身修改堆栈 。

                     3)  函数名自动加前导的下划线,后面紧跟一个@符号,其后紧跟着参数的尺寸。
以上述这个函数为例,参数b首先被压栈,然后是参数a,函数调用func(1,2)调用处
翻译成汇编语言将变成:
push 2 第二个参数入栈
push 1 第一个参数入栈
call func 调用参数,注意此时自动把cs:eip入栈
而对于函数自身,则可以翻译为:
push ebp 保存ebp寄存器,该寄存器将用来保存堆栈的栈顶指针,可以在函数退出时恢复mov ebp,esp 保存堆栈指针

mov eax,[ebp + 8H] 堆栈中ebp指向位置之前依次保存有ebp,cs:eip,a,b,ebp +8指向a
add eax,[ebp + 0CH] 堆栈中ebp + 12处保存了b
mov esp,ebp 恢复esp
pop ebp
ret 8
而在编译时,这个函数的名字被翻译成_function@8
注意不同编译器会插入自己的汇编代码以提供编译的通用性,但是大体代码如此。其中在函数开始处保留esp到ebp中,在函数结束恢复是编译器常用的方法。
从函数调用看,2和1依次被push进堆栈,而在函数中又通过相对于ebp(即刚进函数时的堆栈指针)的偏移量存取参数。函数结束后,ret 8表示清理8个字节的堆栈,函数自己恢复了堆栈。

2. __cdecl:C语言调用约定
              是C语言缺省的调用约定,它的定义语法是:
               int func (int a ,int b)              // 不加修饰就是C调用约定
               int __cdecl func(int a,int b)   // 明确指出C调用约定
    cdecl调用约定的参数压栈顺序是和stdcall是一样的,参数首先由有向左压入堆栈。所不同的是,函数本身不清理堆栈,调用者负责清理堆栈。由于这种变化,C调用约定允许函数的参数的个数是不固定的,这也是C语言的一大特色。由于参数按照从右向左顺序压栈,因此最开始的参数在最接近栈顶的位置,因此当采用不定个数参数时,第一个参数在栈中的位置肯定能知道,只要不定的参数个数能够根据第一个后者后续的明确的参数确定下来,就可以使用不定参数,例如对于CRT中的sprintf函数,定义为:
int sprintf(char* buffer,const char* format,...)
由于所有的不定参数都可以通过format确定,因此使用不定个数的参数是没有问题的

3. __fastcall:调用约定和stdcall类似,它意味着:
函数的第一个和第二个DWORD参数(或者尺寸更小的)通过ecxedx传递,其他参数通过
从右向左的顺序压栈
被调用函数清理堆栈
函数名修改规则同stdcall
其声明语法为:int __fastcall func(int a,int b)
4. __thiscall: 是唯一一个不能明确指明的函数修饰,因为__thiscall不是关键字。它是C++类成
员函数缺省的调用约定。由于成员函数调用还有一个this指针,因此必须特殊处理,__thiscall意味着:
参数从右向左入栈
如果参数个数确定,this指针通过ecx传递给被调用者;如果参数个数不确定,this指针在所有参数压栈后被压入堆栈。
对参数个数不定的,调用者清理堆栈,否则函数自己清理堆栈

5. __naked call:这是一个很少见的调用约定,一般程序设计者建议不要使用。编译器不会给这种函数增加初始化和清理代码,更特殊的是,你不能用return返回返回值,只能用插入汇编返回结果。这一般用于实模式驱动程序设计,假设定义一个求和的加法程序,可以定义为:

__declspec(naked) int add(int a,int b)
{
__asm mov eax,a
__asm add eax,b
__asm ret
}

注意,这个函数没有显式的return返回值,返回通过修改eax寄存器实现,而且连退出函数的ret指令都必须显式插入。上面代码被翻译成汇编以后变成:
mov eax,[ebp+8]
add eax,[ebp+12]
ret 8

注意这个修饰是和__stdcall及cdecl结合使用的,前面是它和cdecl结合使用的代码,对于和stdcall结合的代码,则变成:

__declspec(naked) int __stdcall function(int a,int b)
{
__asm mov eax,a
__asm add eax,b
__asm ret 8 //注意后面的8
}

至于这种函数被调用,则和普通的cdecl及stdcall调用函数一致。函数调用约定导致的常见问题如果定义的约定和使用的约定不一致,则将导致堆栈被破坏,导致严重问题,下面是两种常见的问题:
函数原型声明和函数体定义不一致
DLL导入函数时声明了不同的函数约定
以后者为例,假设我们在dll种声明了一种函数为:

__declspec(dllexport) int func(int a,int b);//注意,这里没有stdcall,使用的是cdecl


使用时代码为:

typedef int (*WINAPI DLLFUNC)func(int a,int b);
hLib = LoadLibrary(...);
DLLFUNC func = (DLLFUNC)GetProcAddress(...)//这里修改了调用约定
result = func(1,2);//导致错误


由于调用者没有理解WINAPI的含义错误的增加了这个修饰,上述代码必然导致堆栈被破坏,MFC在编译时插入的checkesp函数将告诉你,堆栈被破坏了。

先通过一个小程序来看一看:


void foo(int x, int y, int z)

{

printf("x = %d at [%X]n", x, &x);

printf("y = %d at [%X]n", y, &y);

printf("z = %d at [%X]n", z, &z);

}

int main(int argc, char *argv[])

{

foo(100, 200, 300);

return 0;

}

运行结果:

x = 100 at [BFE28760]

y = 200 at [BFE28764]

z = 300 at [BFE28768]
1 栈顶-----------小 从大到小
100 栈底---------大
200 堆--------小 从小到大
300 堆--------大

C程序高地址栈顶低地址,因此上面的实例可以说明函数参数入栈顺序的确是从右至左的。可到底为什么呢?查了一直些文献得知,参数入栈顺序是和具体编译器实现相关的。比如,Pascal语言中参数就是从左到右入栈的,有些语言中还可以通过修饰符进行指定,如Visual C++.即然两种方式都可以,为什么C语言要选择从右至左呢?

进一步发现,Pascal语言不支持可变长参数,而C语言支持这种特色,正是这个原因使得C语言函数参数入栈顺序为从右至左。具体原因为:C方式参数入栈顺序(从右至左)的好处就是可以动态变化参数个数。通过栈堆分析可知,自左向右的入栈方式,最前面的参数被压在栈底。除非知道参数个数,否则是无法通过栈指针的相对位移求得最左边的参数。这样就变成了左边参数的个数不确定,正好和动态参数个数的方向相反。

因此,C语言函数参数采用自右向左的入栈顺序,主要原因是为了支持可变长参数形式。换句话说,如果不支持这个特色,C语言完全和Pascal一样,采用自左向右的参数入栈方式。

这儿其实还涉及到C语言中调用约定所采用的方式,下面简单的介绍一下:

__stdcall与C调用约定(__cdecl)的区别

C调用约定在返回前,要作一次堆栈平衡,也就是参数入栈了多少字节,就要弹出来多少字节.这样很安全.

有一点需要注意:stdcall调用约定如果采用了不定参数,即VARARG的话,则和C调用约定一样,要由调用者来作堆栈平衡.

(1)__cdecl:C调用约定---->自右向左--->调用者-->_fn_--->C缺省调用方式

(即用__cdecl关键字说明)(The C default calling convention)按从右至左的顺序压参数入栈,由调用者把参数弹出栈。对于传送参数的内存栈是由调用者来维护的(正因为如此,实现可变参数vararg的函数(如printf)只能使用该调用约定)。另外,在函数名修饰约定方面也有所不同。 _cdecl是C和C++程序的缺省调用方式。每一个调用它的函数都包含清空堆栈的代码,所以产生的可执行文件大小会比调用_stdcall函数的大。函数采用从右到左的压栈方式。VC将函数编译后会在函数名前面加上下划线前缀

(2)_stdcall:Pascal方式--->从右到左--->函数体--->_f@4--->WIN32 Api

是Pascal方式清理C方式压栈,通常用于Win32 Api中,函数采用从右到左的压栈方式,函数体在退出时清空堆栈。VC将函数编译后会在函数名前面加上下划线前缀,在函数名后加上"@"和参数的字节数。 int f(void *p) -->> _f@4(在外部汇编语言里可以用这个名字引用这个函数)

在WIN32 API中,只有少数几个函数,如wspintf函数是采用C调用约定,其他都是stdcall

(3)__fastcall:快、寄存器来传送参数---->从右到左--->函数体-->@fn@4

调用的主要特点就是,因为它是通过寄存器来传送参数的(实际上,它用ECXEDX传送前两个双字(DWORD)或更小的参数,剩下的参数仍旧自右向左压栈传送,函数体在返回前清理传送参数的内存栈),在函数名修饰约定方面,它和前两者均不同。__fastcall方式的函数采用寄存器传递参数,VC将函数编译后会在函数名前面加上"@"前缀,在函数名后加上"@"和参数的字节数

(4)__pascal:---->从左向右--->函数体-
       这种规则从左向右传递参数,通过EAX返回,堆栈由函数体清除

(5)__thiscall : C++"成员函数---->从右到左--->函数体--->C++"成员函数

仅仅应用于"C++"成员函数。this指针存放于CX/ECX寄存器中,参数从右到左压。thiscall不是关键词,因此不能被程序员指定。

(6)__nakedcall

当采用1-4的调用约定时,如果必要的话,进入函数时编译器会产生代码来保存ESI,EDI,EBX,EBP寄存器,退出函数时则产生代码恢复这些寄存器的内容。

  (这些代码称作 prolog and epilog code,一般,ebp,esp的保存是必须的).

  但是naked call不产生这样的代码。naked call不是类型修饰符,故必须和_declspec共同使用。

  关键字 __stdcall、__cdecl和__fastcall可以直接加在要输出的函数前。它们对应的命令行参数分别为/Gz、/Gd和/Gr。缺省状态为/Gd,即__cdecl。

  要完全模仿PASCAL调用约定首先必须使用__stdcall调用约定,至于函数名修饰约定,可以通过其它方法模仿。还有一个值得一提的是WINAPI宏,Windows.h支持该宏,它可以将出函数翻译成适当的调用约定,在WIN32中,它被定义为__stdcall。使用WINAPI宏可以创建自己的APIs。

综上,其实只有PASCAL调用约定的从左到右入栈的.而且PASCAL不能使用不定参数个数,其参数个数是一定的。

简单总结一下上面的几个调用方式:

调用约定

堆栈清除

参数传递

__cdecl

调用者

从右到左,通过堆栈传递

__stdcall

函数体

从右到左,通过堆栈传递

__fastcall

函数体

从右到左,优先使用寄存器(ECX,EDX),然后使用堆栈

__thiscall

函数体

this指针默认通过ECX传递,其他参数从右到左入栈

__pascal

函数体

从左到右,通过堆栈传递


 名字修饰约定:

        修饰名(Decoration name):"C"或者"C++"函数在内部(编译链接)通过修饰名识别

1. C编译时函数名修饰约定规则:

        1.1 __stdcall调用约定

                在输出函数名前加上一个下划线前缀,后面加上一个"@"符号和其参数的字节数,格式为_functionname@number,例如 :function(int a, int b),其修饰名为:_function@8

        1.2 __cdecl调用约定

                仅在输出函数名前加上一个下划线前缀,格式为_functionname。

        1.3 __fastcall调用约定

                在输出函数名前加上一个"@"符号后面加也是一个"@"符号和其参数的字节数,格式为@functionname@number。

2. C++编译时函数名修饰约定规则:

        2.1 __stdcall调用约定:

                2.1.1 以"?"标识函数名的开始,后跟函数名;
                2.1.2 函数名后面以"@@YG"标识参数表的开始,后跟参数表;
                2.1.3 参数表以代号表示:
                        X--void ,
                        D--char,
                        E--unsigned char,
                        F--short,
                        H--int,
                        I--unsigned int,
                        J--long,
                        K--unsigned long,
                        M--float,
                        N--double,
                        _N--bool,
                        PA--表示指针,后面的代号表明指针类型,如果相同类型的指针连续出现,以"0"代替,一个"0"代表一次重复;
                2.1.4 参数表的第一项为该函数的返回值类型,其后依次为参数的数据类型,指针标识在其所指数据类型前;
                2.1.5 参数表后以"@Z"标识整个名字的结束,如果该函数无参数,则以"Z"标识结束。
其格式为"?functionname@@YG*****@Z"或"?functionname@@YG*XZ",例如
int Test1(char *var1,unsigned long)-----“?Test1@@YGHPADK@Z”
void Test2()                       -----“?Test2@@YGXXZ”

        2.2 __cdecl调用约定

                规则同上面的_stdcall调用约定,只是参数表的开始标识由上面的"@@YG"变为"@@YA"。

        2.3 __fastcall调用约定

                规则同上面的_stdcall调用约定,只是参数表的开始标识由上面的"@@YG"变为"@@YI"。
                VC++对函数的省缺声明是"__cedcl",将只能被C/C++调用.


2. 注意:

2.1 _beginthread函数

        需要__cdecl的线程函数地址,_beginthreadex和CreateThread需要__stdcall的线程函数地址。

2.2 一般WIN32的函数都是__stdcall

而且在Windef.h中有如下的定义:

#define CALLBACK __stdcall

#define WINAPI  __stdcall

2.3 修饰符的书写顺序

extern "C" _declspec(dllexport) int __cdecl Add(int a, int b);

typedef int (__cdecl*FunPointer)(int a, int b);

2.4 extern "C"的作用

        如果Add(int a, int b)是在C语言编译器编译,而在c++文件使用,则需要在c++文件中声明:extern "C" Add(int a, int b),因为c编译器和c++编译器对函数名的解释不一样(c++编译器解释函数名的时候要考虑函数参数,这样是了方便函数重载,而在c语言中不存在函数重载的问题),使用extern "C",实质就是告诉c++编译器,该函数是c库里面的函数。如果不使用extern "C"则会出现链接错误。
一般象如下使用:

#ifdef _cplusplus
#define ETERN_C extern "C"
#else
#define EXTERN_C extern
#endif

#ifdef _cplusplus
extern "C"{
#endif

// C语言函数
EXTERN_C int func(int a, int b);

#ifdef _cplusplus
}
#endif

2.5 MFC提供了一些宏

        可以使用AFX_EXT_CLASS来代替__declspec(DLLexport),并修饰类名,从而导出类,AFX_API_EXPORT来修饰函数,AFX_DATA_EXPORT来修饰变量

AFX_CLASS_IMPORT:__declspec(DLLexport)
AFX_API_IMPORT:__declspec(DLLexport)
AFX_DATA_IMPORT:__declspec(DLLexport)
AFX_CLASS_EXPORT:__declspec(DLLexport)
AFX_API_EXPORT:__declspec(DLLexport)
AFX_DATA_EXPORT:__declspec(DLLexport)
AFX_EXT_CLASS:
#ifdef _AFXEXT
AFX_CLASS_EXPORT
#else
AFX_CLASS_IMPORT

2.6 DLLMain负责初始化(Initialization)和结束(Termination)工作

        每当一个新的进程或者该进程的新的线程访问DLL时,或者访问DLL的每一个进程或者线程不再使用DLL或者结束时,都会调用DLLMain。但是,使用TerminateProcess或TerminateThread结束进程或者线程,不会调用DLLMain。

2.7 一个DLL在内存中只有一个实例

        DLL程序和调用其输出函数的程序的关系:

        2.7.1 DLL与进程、线程之间的关系

                DLL模块被映射到调用它的进程的虚拟地址空间。
                DLL使用的内存从调用进程的虚拟地址空间分配,只能被该进程的线程所访问。
                DLL的句柄可以被调用进程使用;调用进程的句柄可以被DLL使用。
                DLLDLL可以有自己的数据段,但没有自己的堆栈,使用调用进程的栈,与调用它的应用程序相同的堆栈模式。

        2.7.2 关于共享数据段

                DLL定义的全局变量可以被调用进程访问;DLL可以访问调用进程的全局数据。使用同一DLL的每一个进程都有自己的DLL全局变量实例。如果多个线程并发访问同一变量,则需要使用同步机制;对一个DLL的变量,如果希望每个使用DLL的线程都有自己的值,则应该使用线程局部存储(TLS,Thread Local Strorage)。

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