4.1 函数的定义、声明与调用约定

4.1 函数的定义、声明与调用约定

本节摘要：函数由接口（原型）与实现（定义）两部分构成，声明与定义分离是多文件工程的基石。机器层面，函数间靠"调用约定"协作：参数谁走寄存器谁走栈、返回值放哪、栈由谁清理，双方必须完全一致——不一致就是未定义行为的温床。本节把契约与机制两面都讲清。

声明与定义：告诉与做到

int add(int a, int b);        /* 声明（原型）：告诉编译器"有这个函数" */
                            /* 只说参数与返回类型，不说怎么做 */

int add(int a, int b)         /* 定义：真正的实现，占据代码段内存 */
{
    return a + b;
}
​

编译器处理调用时只需要原型：检查参数类型、生成正确的调用指令；实现由链接器负责接上。这就是头文件存在的理由——把一组原型放进头文件，所有包含它的源文件都能通过编译检查。第 1 章说过，声明可以重复，定义只能有一份，链接器按这个规矩裁决。

一个常见的多文件布局：

/* 数学工具的头文件：只放原型与类型 */
int add(int a, int b);
long factorial(int n);
​

/* 数学工具的实现文件 */
#include "mathutil.h"

int add(int a, int b) { return a + b; }

long factorial(int n)
{
    long r = 1;
    for (int i = 2; i <= n; i++)
        r *= i;
    return r;
}
​

不写原型直接调用会怎样？C99 之前编译器默认返回 int 且不查参数（隐式声明），C99 起直接报错。但有一种错误编译器拦不住：原型与定义不一致——原型说两个 int，定义写两个 double，两个文件分别编译都通过，链接也通过，运行时按错误契约传参，结果错乱。头文件统一原型就是为了掐死这类事故：实现文件也包含自己的头文件，编译器即可交叉核对。

调用约定：函数之间的通信协议

调用约定回答四个问题：参数按什么顺序传、走寄存器还是栈、返回值放哪、调用完栈由谁恢复。主流 64 位平台（System V AMD64，即 Linux/macOS 的 x86-64）的答案：

1. 前 6 个整数参数依次走 rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9 寄存器；超出部分压栈；
2. 浮点参数走 xmm0 到 xmm7；
3. 返回值：整数/指针放 rax（128 位用 rdx 辅助），浮点放 xmm0；
4. 栈恢复：调用者负责——被调函数只需保证栈指针回到进来的位置。

int add(int a, int b) { return a + b; }

int main(void)
{
    int s = add(3, 4);
    return s - 7;
}
​

编译后的关键指令：

main:
    ...
    mov     edi, 3          ; 第一个参数
    mov     esi, 4          ; 第二个参数
    call    add             ; 压入返回地址并跳转
    ...                     ; 返回值已在 eax

add:
    lea     eax, [rdi + rsi] ; 一条指令完成加法
    ret                      ; 弹出返回地址跳回
​

call 指令做两件事：把下一条指令的地址（返回地址）压栈，然后跳转。ret 从栈顶弹出返回地址跳回去。调用与返回的全部机制就是压栈、跳转、弹栈、跳回——第 4.2 节的栈帧就建立在这两步之上。

结构体参数是个特例：小的结构体（两个寄存器装得下）拆开走寄存器，大的压栈整块复制。这解释了一个工程常识——传大结构体时传指针比传值便宜：传值复制整块，传指针只复制 8 字节地址。

⚠️ 常见坑：跨语言或跨编译器混链时调用约定不一致（比如 Windows 上 cdecl 与 stdcall 混用），栈恢复方式不同导致调用返回后栈错位，症状是"一调用就崩"。声明函数指针与 API 时必须确认约定一致。

参数与返回值设计

接口设计直接影响机器效率与正确性：

• 参数传值：默认方式，实参被复制。小对象（int、指针、小结构体）没问题；大数组传值在 C 里做不到（数组名会退化成指针，第 6 章），大结构体传值会有整块复制的开销。
• 返回值：C89 只能返回一个值，多值结果的传统方案是出参指针（传入结果地址，函数往里写）。返回大结构体时编译器暗中转换成"调用者分配空间、传隐藏指针"的模式（RVO 的雏形），所以按值返回大结构体并不像看上去那么贵。
• void 返回：函数不返回值。但注意 return; 与漏写 return 的区别——非 void 函数漏写 return 且调用方使用返回值，是未定义行为，垃圾值来自 rax 寄存器的残留。

可变参数函数（printf 家族）依赖另一套约定：stdarg.h 的宏按声明顺序从寄存器保存区/栈上依次取参数。这解释了第 2 章的现象——格式串是唯一知道参数类型与个数的地方，机器层面无人核对。

本节要点回顾

• 声明告诉编译器，定义交给链接器：头文件统一原型，实现文件包含自己的头，让编译器交叉核对一致性。
• 调用约定是双方的通信协议：寄存器分配、返回值位置、栈恢复责任，错配即未定义行为。
• call 与 ret 的本质：压返回地址、跳转、弹返回地址、跳回。
• 大对象传指针不传值：8 字节地址与整块复制的差距。
• 非 void 函数漏写 return 而调用方用返回值是未定义行为：垃圾来自寄存器残留。

下一节进入本章核心：call 与 ret 之间，栈上发生了什么——栈帧的搭建、使用与拆除。