过程：函数调用#

函数在 C 中是一个很重要的抽象机制，良好的软件设计通常使用函数来封装代码，实现某种功能。在程序中，通过调用函数来完成某些任务，除了可以隐藏具体的实现，还能够得到清晰易懂的代码。

在其他编程语言中，函数还可能以方法、子例程、句柄等名词出现，这些都可以称作过程。x86-64 汇编语言对过程提供了机器级支持，主要包括以下三个部分：

  • 传递控制 通过调整 %rip 可以执行被调函数（Callee）指令，然后恢复 %rip 可以继续执行主调函数（Caller）指令。

  • 传递数据 主调函数需要给被调函数提供一些参数；被调函数需要给主调函数返回一个值。

  • 管理内存 被调函数执行时，需要为其局部变量分配内存，返回后又需要释放这些内存。

为了实现上述过程，尽可能减少调用开销，计算机工程师经过大量的实践，最终总结出可以满足最低要求策略的一组规则。

运行时栈#

在学习函数调用和递归过程时，我们已经了解了函数栈帧的原理。函数栈由高地址向低地址方向增长，其创建和收回均有系统自动管理。

在 x86-64 系统中，栈的内存管理由寄存器 %rsp 实现，%rsp 记录了栈顶的地址。创建栈时，将 %rsp 减小适当的量，实现内存的分配；收回栈时，将 %rsp 调整到上一个栈的顶部，实现内存的收回。

由于每个函数调用栈的大小都是固定的，所以收回后 %rsp 的值将依次调整为之前记录过的相同值。

入栈和出栈操作可以使用 pushq 和 popq 操作实现；出栈的值永远是最近入栈且仍然在栈中的值。

pushq 指令可以把一个四字数据压入栈上，操作数为压入的数据源 \(S\)。

pushq %rbp

实际的行为分为两个步骤，可以等价于两条指令的组合：

  • 将栈指针，即 %rsp 记录的值，减去 8

  • 将数据写到新的栈顶地址

subq $8, %rsp
movq  S, (%rsp)

popq 指令可以对一个四字数据进行出栈操作，操作数为数据的目的地 \(D\)。

popq %rax

实际的行为也分为两个步骤，可以等价于两条指令的组合：

  • 将栈指针，即 %rsp 记录的值，增加 8

  • 将数据写到目的地 \(D\)

movq (%rsp), D
addq $8, %rsp

需要注意的是，原栈顶中的值并不会作清除处理，仍保留在原始位置，直到另一个新栈出现才会被覆盖。这也从底层说明了为什么栈的创建和释放速度很快！

传递控制#

控制的实现是由程序计数器 PC 实现的，即 %rip 寄存器。将控制从主调函数 Caller 转移到被调函数 Callee 只需要将 %rip 设置为 Callee 的起始位置。

但是，当 Callee 结束后，处理器如何返回 Caller 之前的位置继续执行呢？解决办法是，在创建 Callee 调用栈之前，系统会将 Caller 的返回地址（return address）压入栈中。当 Callee 调用结束后，在将返回地址弹出，设置给 %rip 寄存器，从而恢复执行。

在 x86-64 中，这一过程是由 call 和 ret 两个指令实现的。

指令 call 将随后要执行的指令（返回地址）先压入栈上，再将 %rip 设置为被调函数 Callee 的起始地址。指令 ret 从栈中弹出返回地址，并存储到 %rip 中，恢复主调函数 Caller 继续执行。

传递数据#

过程调用还会涉及到参数和返回值，这些数据传递大部分也是通过寄存器实现的。由于寄存器的数量是有限的，所以还需要一些规则来处理这些问题。

在 x86-64 平台上，前 6 个参数是由寄存器传递的；超过 6 个的参数全部放在栈上，地址由低到高，且按 8 的倍数对齐。参数就位后，才会执行 call 指令转移控制。

前 6 个参数依次存储在下表列出的寄存器中，名称由数据类型的大小决定。例如，如果第一个参数是 32 位的，那么可以通过 %edi 来访问。

如果过程调用有返回值（注意，区分上文的返回地址），该值将存储在 %rax 中。

局部存储#

大部分情况下，优先使用寄存器处理函数的局部变量等数据，可以获得更好的性能。但是有些情况下，不得不使用栈内存来存储，比如

  • 寄存器数量不够存放所有本地数据

  • 局部变量使用地址运算符 &，必须为其生成一个内存地址

  • 局部变量为数组或结构体，通过索引或引用访问，也必须存储在内存上

寄存器限制#

寄存器文件是唯一被所有过程共享的资源。假设函数 \(A\) 将数据存储在寄存器 %r10 中，接着转移控制给函数 \(B\)，如果此时函数 \(B\) 也要使用 %r10，那么函数 \(A\) 的数据将被覆盖。如何解决这样的冲突？

为此，x86-64 采用了一组统一的寄存器使用管理，所有的过程都必须遵循。

  • 寄存器 %rbx，%rbp 和 %r12~%r15 属于主调函数（caller-owned） 被调函数使用这些寄存器时，必须保存这些寄存器的值（callee-saved）。寄存器的值会被压入栈帧中，并在函数返回后恢复。压入的寄存器值在栈帧中的区域称为保存的寄存器（Saved Registers）。

  • 剩下的寄存器属于被调函数（callee-owned） 除 %rsp 外，在调用函数之前，主调函数必须保存这些寄存器的值（caller-saved）。这是因为被调函数可以任意使用这些寄存器，如果不作保存，这些寄存器的值很可能会被覆盖。