从内存角度谈函数调用

C/C++有一个经典的swap函数---交换两个变量的值，最常见的实现方式是通过指针传递变量地址，这样就能在函数内部直接修改原变量的值。比如，对于两个整型(int)变量a和b，可以这样写：

void swap(int* a, int* b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main(){
    int a = 10, b = 20;
    swap(&a, &b);        //这里要传变量的地址：
    printf("a = %d\n", a);
}

swap函数的参数为什么要用指针？要搞清楚这问题，首先要回顾一下指针。

▲图1

图1说明了指针的用法。这里指针的类型是char*，即指向char的指针。pChar变量只能存储char变量的地址。存储在ch中的值通过指针修改，实现了间接访问(操作)。

在vscode里面编辑好代码，并点击右上角的run按钮(假设已经安装了插件)，此时操作系统会创建一个进程，其内存布局如图2

▲图2

一个进程在自已的内存区域中至少包括四个基本部分:代码段、数据段、堆和栈。

• 代码段(TextSegment):存放程序的执行代码，即编译器编译完成的机器码

• 数据段(Data Segment):初始化的全局变量和静态变量(读写)

• 堆(Heap):动态内存分配的区域(如使用malloc申请内存)

• 栈(Stack):用于存放函数的局部变量、调用返回地址等

现在来看看main函数是怎么一步步执行的。对于每一个函数调用，进程都会留出部分栈空间，来保存该函数所有的变量和变量值。这些空间称为“栈帧”。在main函数的栈帧中，a和b 作为局部变量被保存，如图3所示。

▲图3

调用函数swap时，将创建新的栈帧，如图4所示。每次函数调用都会创建新的栈帧，该栈帧用来维护函数所有的变量和值。 swap函数的栈帧中，a和b同样是局部变量，只不过其值是地址，而且还可以对该地址的变量值进行修改。这样才能实现对a和b的交换。swap函数执行完后，其栈帧会被清空。

▲图4

如果swap函数不传递变量地址

#include<stdio.h>

void swap(int a, int b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
    printf("Adress of a is %p\n", &a);
}

int main(){
    int a = 10, b = 20;
    printf("Adress of a is %p\n", &a);
    
    swap(a, b);        
    printf("a = %d\n", a);
}

▲图5

可以看到，a的地址是不同的，且无法实现a和b交换。