X86-64寄存器和棧幀

xinyz4104 2014-04-28

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X86-64寄存器和棧幀

概要

說(shuō)到x86-64，總不免要說(shuō)說(shuō)AMD的牛逼，x86-64是x86系列中集大成者，繼承了向后兼容的優(yōu)良傳統(tǒng)，最早由AMD公司提出，代號(hào)AMD64；正是由于能向后兼容，AMD公司打了一場(chǎng)漂亮翻身戰(zhàn)。導(dǎo)致Intel不得不轉(zhuǎn)而生產(chǎn)兼容AMD64的CPU。這是IT行業(yè)以弱勝?gòu)?qiáng)的經(jīng)典戰(zhàn)役。不過(guò)，大家為了名稱延續(xù)性，更習(xí)慣稱這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為x86-64
X86-64在向后兼容的同時(shí)，更主要的是注入了全新的特性，特別的：x86-64有兩種工作模式，32位OS既可以跑在傳統(tǒng)模式中，把CPU當(dāng)成i386來(lái)用；又可以跑在64位的兼容模式中，更加神奇的是，可以在32位的OS上跑64位的應(yīng)用程序。有這種好事，用戶肯定買(mǎi)賬啦，
值得一提的是，X86-64開(kāi)創(chuàng)了編譯器的新紀(jì)元，在之前的時(shí)代里，Intel CPU的晶體管數(shù)量一直以摩爾定律在指數(shù)發(fā)展，各種新奇功能層出不窮，比如：條件數(shù)據(jù)傳送指令cmovg，SSE指令等。但是GCC只能保守地假設(shè)目標(biāo)機(jī)器的CPU是1985年的i386，額。。。這樣編譯出來(lái)的代碼效率可想而知，雖然GCC額外提供了大量?jī)?yōu)化選項(xiàng)，但是這對(duì)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提出了很高的要求，會(huì)者寥寥。X86-64的出現(xiàn)，給GCC提供了一個(gè)絕好的機(jī)會(huì)，在新的x86-64機(jī)器上，放棄保守的假設(shè)，進(jìn)而充分利用x86-64的各種特性，比如：在過(guò)程調(diào)用中，通過(guò)寄存器來(lái)傳遞參數(shù)，而不是傳統(tǒng)的堆棧。又如：盡量使用條件傳送指令，而不是控制跳轉(zhuǎn)指令

寄存器簡(jiǎn)介

先明確一點(diǎn)，本文關(guān)注的是通用寄存器（后簡(jiǎn)稱寄存器）。既然是通用的，使用并沒(méi)有限制；后面介紹寄存器使用規(guī)則或者慣例，只是GCC（G++）遵守的規(guī)則。因?yàn)槲覀兿雽?duì)GCC編譯的C(C++)程序進(jìn)行分析，所以了解這些規(guī)則就很有幫助。
在體系結(jié)構(gòu)教科書(shū)中，寄存器通常被說(shuō)成寄存器文件，其實(shí)就是CPU上的一塊存儲(chǔ)區(qū)域，不過(guò)更喜歡使用標(biāo)識(shí)符來(lái)表示，而不是地址而已。
X86-64中，所有寄存器都是64位，相對(duì)32位的x86來(lái)說(shuō)，標(biāo)識(shí)符發(fā)生了變化，比如：從原來(lái)的%ebp變成了%rbp。為了向后兼容性，%ebp依然可以使用，不過(guò)指向了%rbp的低32位。
X86-64寄存器的變化，不僅體現(xiàn)在位數(shù)上，更加體現(xiàn)在寄存器數(shù)量上。新增加寄存器%r8到%r15。加上x(chóng)86的原有8個(gè)，一共16個(gè)寄存器。
剛剛說(shuō)到，寄存器集成在CPU上，存取速度比存儲(chǔ)器快好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，寄存器多了，GCC就可以更多的使用寄存器，替換之前的存儲(chǔ)器堆棧使用，從而大大提升性能。
讓寄存器為己所用，就得了解它們的用途，這些用途都涉及函數(shù)調(diào)用，X86-64有16個(gè)64位寄存器，分別是：%rax，%rbx，%rcx，%rdx，%esi，%edi，%rbp，%rsp，%r8，%r9，%r10，%r11，%r12，%r13，%r14，%r15。其中：

%rax 作為函數(shù)返回值使用。
%rsp 棧指針寄存器，指向棧頂
%rdi，%rsi，%rdx，%rcx，%r8，%r9 用作函數(shù)參數(shù)，依次對(duì)應(yīng)第1參數(shù)，第2參數(shù)。。。
%rbx，%rbp，%r12，%r13，%14，%15 用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，遵循被調(diào)用者使用規(guī)則，簡(jiǎn)單說(shuō)就是隨便用，調(diào)用子函數(shù)之前要備份它，以防他被修改
%r10，%r11 用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，遵循調(diào)用者使用規(guī)則，簡(jiǎn)單說(shuō)就是使用之前要先保存原值

棧幀

棧幀結(jié)構(gòu)

C語(yǔ)言屬于面向過(guò)程語(yǔ)言，他最大特點(diǎn)就是把一個(gè)程序分解成若干過(guò)程（函數(shù)），比如：入口函數(shù)是main，然后調(diào)用各個(gè)子函數(shù)。在對(duì)應(yīng)機(jī)器語(yǔ)言中，GCC把過(guò)程轉(zhuǎn)化成棧幀（frame），簡(jiǎn)單的說(shuō)，每個(gè)棧幀對(duì)應(yīng)一個(gè)過(guò)程。X86-32典型棧幀結(jié)構(gòu)中，由%ebp指向棧幀開(kāi)始，%esp指向棧頂。

函數(shù)進(jìn)入和返回

函數(shù)的進(jìn)入和退出，通過(guò)指令call和ret來(lái)完成，給一個(gè)例子

#include 
#include </code> 
  
int foo ( int x ) 
{ 
int array[] = {1,3,5}; 
return array[x]; 
}       /* -----  end of function foo  ----- */
  
int main ( int argc, char *argv[] ) 
{ 
int i = 1; 
int j = foo(i); 
fprintf(stdout, "i=%d,j=%d\n", i, j); 
return EXIT_SUCCESS; 
}               /* ----------  end of function main  ---------- */

命令行中調(diào)用gcc，生成匯編語(yǔ)言：

1	`Shell > gcc –S –o test.s test.c`

Main函數(shù)第40行的指令Call foo其實(shí)干了兩件事情：

Pushl %rip //保存下一條指令（第41行的代碼地址）的地址，用于函數(shù)返回繼續(xù)執(zhí)行
Jmp foo //跳轉(zhuǎn)到函數(shù)foo

Foo函數(shù)第19行的指令ret 相當(dāng)于：

popl %rip //恢復(fù)指令指針寄存器

棧幀的建立和撤銷(xiāo)

還是上一個(gè)例子，看看棧幀如何建立和撤銷(xiāo)
說(shuō)題外話，以”點(diǎn)”做為前綴的指令都是用來(lái)指導(dǎo)匯編器的命令。無(wú)意于程序理解，統(tǒng)統(tǒng)忽視之，比如第31行。
棧幀中，最重要的是幀指針%ebp和棧指針%esp，有了這兩個(gè)指針，我們就可以刻畫(huà)一個(gè)完整的棧幀
函數(shù)main的第30~32行，描述了如何保存上一個(gè)棧幀的幀指針，并設(shè)置當(dāng)前的指針。
第49行的leave指令相當(dāng)于：
Movq %rbp %rsp //撤銷(xiāo)棧空間，回滾%rsp
Popq %rbp //恢復(fù)上一個(gè)棧幀的%rbp
同一件事情會(huì)有很多的做法，GCC會(huì)綜合考慮，并作出選擇。選擇leave指令，極有可能因?yàn)樵撝噶钚枰鎯?chǔ)空間少，需要時(shí)鐘周期也少。
你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在所有的函數(shù)中，幾乎都是同樣的套路，
我們通過(guò)gdb觀察一下進(jìn)入foo函數(shù)之前main的棧幀，進(jìn)入foo函數(shù)的棧幀，退出foo的棧幀情況

Shell> gcc -g -o test test.c  
Shell> gdb --args test 
Gdb > break main 
Gdb > run

進(jìn)入foo函數(shù)之前：

你會(huì)發(fā)現(xiàn)rbp-rsp=0×20，這個(gè)是由代碼第11行造成的。
進(jìn)入foo函數(shù)的棧幀：

回到main函數(shù)的棧幀，rbp和rsp恢復(fù)成進(jìn)入foo之前的狀態(tài)，就好像什么都沒(méi)發(fā)生一樣。

可有可無(wú)的幀指針

你剛剛搞清楚幀指針，是不是很期待要馬上派上用場(chǎng)，這樣你可能要大失所望，因?yàn)榇蟛糠值某绦颍技恿藘?yōu)化編譯選項(xiàng)：-O2，這幾乎是普遍的選擇。在這種優(yōu)化級(jí)別，甚至更低的優(yōu)化級(jí)別-O1，都已經(jīng)去除了幀指針，也就是%ebp中再也不是保存幀指針，而且另作他途。
在x86-32時(shí)代，當(dāng)前棧幀總是從保存%ebp開(kāi)始，空間由運(yùn)行時(shí)決定，通過(guò)不斷push和pop改變當(dāng)前棧幀空間；x86-64開(kāi)始，GCC有了新的選擇，優(yōu)化編譯選項(xiàng)-O1，可以讓GCC不再使用棧幀指針，下面引用 gcc manual 一段話：

1	`-O also turns on -fomit-frame-pointer on machines where doing so does not interfere with debugging.`

這樣一來(lái)，所有空間在函數(shù)開(kāi)始處就預(yù)分配好，不需要棧幀指針；通過(guò)%rsp的偏移就可以訪問(wèn)所有的局部變量。
說(shuō)了這么多，還是看看例子吧。同一個(gè)例子，加上-O1選項(xiàng)：

1	`Shell>: gcc –O1 –S –o test.s test.c`

分析main函數(shù)，GCC分析發(fā)現(xiàn)棧幀只需要8個(gè)字節(jié)，于是進(jìn)入main之后第一條指令就分配了空間(第23行)：

1	`Subq $8, %rsp`

然后在返回上一棧幀之前，回收了空間（第34行）：

1	`Addq $8, %rsp`

等等，為啥main函數(shù)中并沒(méi)有對(duì)分配空間的引用呢？這是因?yàn)镚CC考慮到棧幀對(duì)齊需求，故意做出的安排。
再來(lái)看foo函數(shù)，這里你可以看到%rsp是如何引用?？臻g的。
等等，不是需要先預(yù)分配空間嗎？這里為啥沒(méi)有預(yù)分配，直接引用棧頂之外的地址？
這就要涉及x86-64引入的牛逼特性了。

訪問(wèn)棧頂之外

通過(guò)readelf查看可執(zhí)行程序的header信息：

紅色區(qū)域部分指出了x86-64遵循ABI規(guī)則的版本，它定義了一些規(guī)范，遵循ABI的具體實(shí)現(xiàn)應(yīng)該滿足這些規(guī)范，其中，他就規(guī)定了程序可以使用棧頂之外128字節(jié)的地址。
這說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，具體實(shí)現(xiàn)可有大學(xué)問(wèn)，這超出了本文的范圍，具體大家參考虛擬存儲(chǔ)器。別的不提，接著上例，我們發(fā)現(xiàn)GCC利用了這個(gè)特性，干脆就不給foo函數(shù)分配棧幀空間了，而是直接使用棧幀之外的空間。@恨少說(shuō)這就相當(dāng)于內(nèi)聯(lián)函數(shù)唄，我要說(shuō)：這就是編譯優(yōu)化的力量。

寄存器保存慣例

過(guò)程調(diào)用中，調(diào)用者棧幀需要寄存器暫存數(shù)據(jù)，被調(diào)用者棧幀也需要寄存器暫存數(shù)據(jù)。如果調(diào)用者使用了%rbx，那被調(diào)用者就需要在使用之前把%rbx保存起來(lái)，然后在返回調(diào)用者棧幀之前，恢復(fù)%rbx。遵循該使用規(guī)則的寄存器就是被調(diào)用者保存寄存器，對(duì)于調(diào)用者來(lái)說(shuō)，%rbx就是非易失的。
反過(guò)來(lái)，調(diào)用者使用%r10存儲(chǔ)局部變量，為了能在子函數(shù)調(diào)用后還能使用%r10，調(diào)用者把%r10先保存起來(lái)，然后在子函數(shù)返回之后，再恢復(fù)%r10。遵循該使用規(guī)則的寄存器就是調(diào)用者保存寄存器，對(duì)于調(diào)用者來(lái)說(shuō)，%r10就是易失的，
舉個(gè)例子：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
  
void sfact_helper ( long int x, long int * resultp) 
{ 
    if (x<=1) 
        *resultp = 1; 
    else { 
        long int nresult; 
        sfact_helper(x-1,&nresult); 
        *resultp = x * nresult; 
    }    
}       /* -----  end of function foo  ----- */
  
long int 
sfact ( long int x )  
{ 
    long int result; 
    sfact_helper(x, &result); 
    return result; 
}       /* -----  end of function sfact  ----- */
  
int
main ( int argc, char *argv[] ) 
{ 
    int sum = sfact(10); 
    fprintf(stdout, "sum=%d\n", sum); 
    return EXIT_SUCCESS; 
}               /* ----------  end of function main  ---------- */

命令行中調(diào)用gcc，生成匯編語(yǔ)言：

1	`Shell>: gcc –O1 –S –o test2.s test2.c`

在函數(shù)sfact_helper中，用到了寄存器%rbx和%rbp，在覆蓋之前，GCC選擇了先保存他們的值，代碼6~9說(shuō)明該行為。在函數(shù)返回之前，GCC依次恢復(fù)了他們，就如代碼27-28展示的那樣。
看這段代碼你可能會(huì)困惑？為什么%rbx在函數(shù)進(jìn)入的時(shí)候，指向的是-16（%rsp），而在退出的時(shí)候，變成了32(%rsp) 。上文不是介紹過(guò)一個(gè)重要的特性嗎？訪問(wèn)棧幀之外的空間，這是GCC不用先分配空間再使用；而是先使用?？臻g，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)分配。第11行代碼展示了空間分配，之后棧指針發(fā)生變化，所以同一個(gè)地址的引用偏移也相應(yīng)做出調(diào)整。

參數(shù)傳遞

X86時(shí)代，參數(shù)傳遞是通過(guò)入棧實(shí)現(xiàn)的，相對(duì)CPU來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器訪問(wèn)太慢；這樣函數(shù)調(diào)用的效率就不高，在x86-64時(shí)代，寄存器數(shù)量多了，GCC就可以利用多達(dá)6個(gè)寄存器來(lái)存儲(chǔ)參數(shù)，多于6個(gè)的參數(shù)，依然還是通過(guò)入棧實(shí)現(xiàn)。了解這些對(duì)我們寫(xiě)代碼很有幫助，起碼有兩點(diǎn)啟示：

盡量使用6個(gè)以下的參數(shù)列表，不要讓GCC為難啊。
傳遞大對(duì)象，盡量使用指針或者引用，鑒于寄存器只有64位，而且只能存儲(chǔ)整形數(shù)值，寄存器存不下大對(duì)象

讓我們具體看看參數(shù)是如何傳遞的：

#include <stdio.h>     
#include <stdlib.h> 
  
int foo ( int arg1, int arg2, int arg3, int arg4, int arg5, int arg6, int arg7 ) 
{    
    int array[] = {100,200,300,400,500,600,700}; 
    int sum = array[arg1] + array[arg7]; 
    return sum; 
}       /* -----  end of function foo  ----- */
  
    int 
main ( int argc, char *argv[] ) 
{ 
    int i = 1; 
    int j = foo(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6);  
    fprintf(stdout, "i=%d,j=%d\n", i, j);  
    return EXIT_SUCCESS; 
}               /* ----------  end of function main  ---------- */

命令行中調(diào)用gcc，生成匯編語(yǔ)言：

1	`Shell>: gcc –O1 –S –o test1.s test1.c`

Main函數(shù)中，代碼31~37準(zhǔn)備函數(shù)foo的參數(shù)，從參數(shù)7開(kāi)始，存儲(chǔ)在棧上，%rsp指向的位置；參數(shù)6存儲(chǔ)在寄存器%r9d；參數(shù)5存儲(chǔ)在寄存器%r8d；參數(shù)4對(duì)應(yīng)于%ecx；參數(shù)3對(duì)應(yīng)于%edx；參數(shù)2對(duì)應(yīng)于%esi；參數(shù)1對(duì)應(yīng)于%edi。
Foo函數(shù)中，代碼14-15，分別取出參數(shù)7和參數(shù)1，參與運(yùn)算。這里數(shù)組引用，用到了最經(jīng)典的尋址方式，-40（%rsp，%rdi，4）=%rsp + %rdi *4 + (-40);其中%rsp用作數(shù)組基地址；%rdi用作了數(shù)組的下標(biāo)；數(shù)字4表示sizeof（int）=4。

結(jié)構(gòu)體傳參

應(yīng)@桂南要求，再加一節(jié)，相信大家也很想知道結(jié)構(gòu)體是如何存儲(chǔ)，如何引用的，如果作為參數(shù)，會(huì)如何傳遞，如果作為返回值，又會(huì)如何返回。
看下面的例子：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
      
struct demo_s { 
    char var8; 
    int  var32; 
    long var64; 
}; 
  
struct demo_s foo (struct demo_s d) 
{ 
    d.var8=8; 
    d.var32=32; 
    d.var64=64; 
    return d; 
}       /* -----  end of function foo  ----- */
  
    int 
main ( int argc, char *argv[] ) 
{ 
    struct demo_s d, result; 
    result = foo (d); 
    fprintf(stdout, "demo: %d, %d, %ld\n", result.var8, result.var32, result.var64);  
    return EXIT_SUCCESS; 
}               /* ----------  end of function main  ---------- */

我們?nèi)笔【幾g選項(xiàng)，加了優(yōu)化編譯的選項(xiàng)可以留給大家思考。

1	`Shell>gcc -S -o test.s test.c`

上面的代碼加了一些注釋，方便大家理解，
問(wèn)題1：結(jié)構(gòu)體如何傳遞？它被分成了兩個(gè)部分，var8和var32合并成8個(gè)字節(jié)的大小，放在寄存器%rdi中，var64放在寄存器的%rsi中。也就是結(jié)構(gòu)體分解了。
問(wèn)題2：結(jié)構(gòu)體如何存儲(chǔ)? 注意看foo函數(shù)的第15~17行注意到，結(jié)構(gòu)體的引用變成了一個(gè)偏移量訪問(wèn)。這和數(shù)組很像，只不過(guò)他的元素大小可變。
問(wèn)題3：結(jié)構(gòu)體如何返回，原本%rax充當(dāng)了返回值的角色，現(xiàn)在添加了返回值2：%rdx。同樣，GCC用兩個(gè)寄存器來(lái)表示結(jié)構(gòu)體。
恩，即使在缺省情況下，GCC依然是想盡辦法使用寄存器。隨著結(jié)構(gòu)變的越來(lái)越大，寄存器不夠用了，那就只能使用棧了。

總結(jié)

了解寄存器和棧幀的關(guān)系，對(duì)于gdb調(diào)試很有幫助；過(guò)些日子，一定找個(gè)合適的例子和大家分享一下。

參考

1. 深入理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)
2. x86系列匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

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