一文读懂Go函数调用

导读｜Go的函数调用时参数是通过栈传递还是寄存器传递？使用哪个版本的Go语言能让程序运行性能提升5%？腾讯后台开发工程师涂明光将带你由浅入深了解函数调用，并结合不同版本Go进行实操解答。

函数调用基本概念

1）调用者caller与被调用者callee

如果一个函数调用另外一个函数，那么该函数被称为调用者函数，也叫做caller，而被调用的函数称为被调用者函数，也叫做callee。比如函数main中调用sum函数，那么main就是caller，而sum函数就是callee。

2）函数栈和函数栈帧

函数执行时需要有足够的内存空间，供它存放局部变量、参数等数据，这段空间对应到虚拟地址空间的栈，也即函数栈。在现代主流机器架构上（例如x86）中，栈都是向下生长的。栈的增长方向是从高位地址到地位地址向下进行增长。

分配给一个个函数的栈空间被称为“函数栈帧”。Go语言中函数栈帧布局是这样的：先是调用者caller栈基地址，然后是调用者函数caller的局部变量、接着是被调用函数callee的返回值和参数。然后是被调用者callee的栈帧。

注意，栈和栈帧是不一样的。在一个函数调用链中，比如函数A调用B，B调用C，则在函数栈上，A的栈帧在上面，下面依次是B、C的函数栈帧。Go1.17以前的版本，函数栈空间布局如下：

函数调用分析

通过在centos8上安装gvm，可以方便切换多个Go版本测试不同版本的特性。

gvm地址：https://github.com/moovweb/gvm

执行：

显示gvm安装的go版本列表：

gvm gos (installed)

1）Go15版本函数调用分析

执行

切换到 go1.15.14版本，我们定义一个函数调用：

使用命令打印出main.go汇编：

接下来我们分析main函数的汇编代码：

从汇编代码的注释中，我们可以清楚的看到，main函数调用A函数的局部变量、入参在栈中的存储位置。main函数通过 ADDQ $-128, SP 指令，一共在栈上分配了128字节的内存空间：

SP+64~SP+112 指向的56个栈空间，存储的是r1~r7这7个main函数的局部变量；SP+56 该地址接收函数A的返回值；SP~SP+48  指向的56个字节空间，用来存放A函数的 7 个入参。

综上，在Go1.15.14版本的函数调用中：参数完全通过栈传递；参数列表从右至左依次压栈。当程序准备好函数的入参之后，会调用汇编指令CALL "".A(SB)，这个指令首先会将 main 的返回地址 (8 bytes) 存入栈中，然后改变当前的栈指针 SP 并执行 A 函数的汇编指令。栈空间变为：

下面分析 A 函数：

需要注意的是，"".~r7+64(SP)是上图中，main函数用来接收A函数返回值的地址SP+56，因为CALL "".A(SB)将main返回地址压栈后，SP向下移动了8字节。

从A函数的汇编分析，可以得到结论：Go1.17.1之前版本，callee函数返回值通过caller栈传递；如果我们让main接收A函数的返回值，会发现callee的返回值也是通过caller的栈空间传递。

2）Go17版本函数调用分析

执行

切换到 go1.17.1版本，修改main.go代码结构如下：

使用命令打印出main.go汇编：

分析main函数的汇编代码：

通过上面汇编代码的注释，我们可以看到：main函数调用A函数的参数个数为11个，其中前 9 个参数分别是通过寄存器 AX、BX、CX、DI、SI、R8、R9、R10、R11传递，后面两个通过栈顶的SP，SP+8地址传递。

下面看 A 函数在Go1.17.1的汇编代码：

在A函数栈中，我们可以看到：程序先把r1~r9参数分别从寄存器赋值到main栈帧的入参地址部分，即当前的SP+48~SP+112位。其实这跟GO1.15.14的函数调用参数传递过程差不多，只不过一个是在caller中做参数从寄存器拷贝到栈上，一个是在callee中做参数从寄存器拷贝到栈上。而且前者只使用了AX一个寄存器，后者使用了9个不同的寄存器。

很多开发者看到这里，估计会有一个疑问：Go1.15 与 Go1.17 在寄存器访问次数上和栈访问次数上，没有区别。只是寄存器上的参数拷贝到栈上的发生时机不同？那么为什么Go1.17会有较高的性能优势？

我们把打印汇编的命令GOOS=linux GOARCH=amd64 go tool compile -S -N -L main.go 中的-N -L禁用内联优化去掉（这才是性能对比的状态），我们再看，会发现Go17 的 A 函数会直接执行寄存器之间的加法，Go15版本的 A 函数不会。

对2.1节程序执行命令：

Go1.15优化后的汇编代码是：

gvm 切换到Go1.17.1版本。对2.1节程序执行命令：

Go1.17优化后的汇编代码是：

对比发现：寄存器传参和栈传参，在编译器实际优化后的执行代码中，前者直接会在寄存器之间做加法，后者多了从栈拷贝数据到寄存器到动作，因此前者效率更高。

通过分析Go1.17.1函数调用过程，我们发现：

参数传递使用了多个寄存器，并且被调用方callee的返回值由callee本身的栈帧负责存放，而不是放在caller的栈帧上；当callee的栈帧被销毁时，其返回值通过AX，BX等寄存器传递给调用方caller。

9个以内的参数通过寄存器传递，9个以外的通过栈传递。如果将 A 函数的返回值个数设置大于9个，同样会发现，9个以内的返回值通过寄存器传递，9个以外的通过栈传递。

为何高版本Go要改用寄存器传参？

至于为什么Go1.17.1函数调用的参数传递开始基于寄存器进行传递，原因无外乎。

第一，CPU访问寄存器比访问栈要快的多。函数调用通过寄存器传参比栈传参，性能要高5%。

第二，早期Go版本为了降低实现的复杂度，统一使用栈传递参数和返回值，不惜牺牲函数调用的性能。

第三，Go从1.17.1版本，开始支持多ABI（application binary interface 应用程序二进制接口，规定了程序在机器层面的操作规范，主要包括调用规约calling convention），主要是两个ABI：一个是老版本Go采用的平台通用ABI0，一个是Go独特的ABIInternal，前者遵循平台通用的函数调用约定，实现简单，不用担心底层cpu架构寄存器的差异；后者可以指定特定的函数调用规范，可以针对特定性能瓶颈进行优化，在多个Go版本之间可以迭代，灵活性强，支持寄存器传参提升性能。

所谓“调用规约(calling convention)”是调用方和被调用方对于函数调用的一个明确的约定，包括：函数参数与返回值的传递方式、传递顺序。只有双方都遵守同样的约定，函数才能被正确地调用和执行。如果不遵守这个约定，函数将无法正确执行。

总结

综合上面的分析，我们得出结论：

Go1.17.1之前的函数调用，参数都在栈上传递；Go1.17.1以后，9个以内的参数在寄存器传递，9个以外的在栈上传递；Go1.17.1之前版本，callee函数返回值通过caller栈传递；Go1.17.1以后，函数调用的返回值，9个以内通过寄存器传递回caller，9个以外在栈上传递。

在Go 1.17的版本发布说明文档中有提到：切换到基于寄存器的调用惯例后，一组有代表性的Go包和程序的基准测试显示，Go程序的运行性能提高了约5%，二进制文件大小减少约2%。

由于CPU访问寄存器的速度要远高于栈内存，参数在栈上传递会增加栈内存空间，并且影响栈的扩缩容和垃圾回收，改为寄存器传递，这些缺点都得到了优化，Go程序在从低版本升级到17版本后，性能有一定的提升。在业务允许的情况下，这里建议各位开发者可以把自己程序的Go版本升级到17及以上。