X86-64寄存器和棧幀
概要
說到x86-64，總不免要說說AMD的牛逼，x86-64是x86系列中集大成者，繼承了向后兼容的優良傳統，最早由AMD公司提出，代號AMD64；正是由於能向后兼容，AMD公司打了一場漂亮翻身戰。導致Intel不得不轉而生產兼容AMD64的CPU。這是IT行業以弱勝強的經典戰役。不過，大家為了名稱延續性，更習慣稱這種系統結構為x86-64。
X86-64在向后兼容的同時，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既可以跑在傳統模式中，把CPU當成i386來用；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位的應用程序。有這種好事，用戶肯定買賬啦。
值得一提的是，X86-64開創了編譯器的新紀元，在之前的時代里，Intel CPU的晶體管數量一直以摩爾定律在指數發展，各種新奇功能層出不窮，比如：條件數據傳送指令cmovg，SSE指令等。但是GCC只能保守地假設目標機器的CPU是1985年的i386，額。。。這樣編譯出來的代碼效率可想而知，雖然GCC額外提供了大量優化選項，但是這對應用程序開發者提出了很高的要求，會者寥寥。X86-64的出現，給GCC提供了一個絕好的機會，在新的x86-64機器上，放棄保守的假設，進而充分利用x86-64的各種特性，比如：在過程調用中，通過寄存器來傳遞參數，而不是傳統的堆棧。又如：盡量使用條件傳送指令，而不是控制跳轉指令。
寄存器簡介
先明確一點，本文關注的是通用寄存器（后簡稱寄存器）。既然是通用的，使用並沒有限制；后面介紹寄存器使用規則或者慣例，只是GCC（G++）遵守的規則。因為我們想對GCC編譯的C(C++)程序進行分析，所以了解這些規則就很有幫助。
在體系結構教科書中，寄存器通常被說成寄存器文件，其實就是CPU上的一塊存儲區域，不過更喜歡使用標識符來表示，而不是地址而已。
X86-64中，所有寄存器都是64位，相對32位的x86來說，標識符發生了變化，比如：從原來的%ebp變成了%rbp。為了向后兼容性，%ebp依然可以使用，不過指向了%rbp的低32位。
X86-64寄存器的變化，不僅體現在位數上，更加體現在寄存器數量上。新增加寄存器%r8到%r15。加上x86的原有8個，一共16個寄存器。
剛剛說到，寄存器集成在CPU上，存取速度比存儲器快好幾個數量級，寄存器多了，GCC就可以更多的使用寄存器，替換之前的存儲器堆棧使用，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調用，X86-64有16個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 用作函數參數，依次對應第1參數，第2參數。。。
- %rbx，%rbp，%r12，%r13，%14，%15 用作數據存儲，遵循被調用者使用規則，簡單說就是隨便用，調用子函數之前要備份它，以防他被修改
- %r10，%r11 用作數據存儲，遵循調用者使用規則，簡單說就是使用之前要先保存原值
棧幀
棧幀結構
C語言屬於面向過程語言，他最大特點就是把一個程序分解成若干過程（函數），比如：入口函數是main，然后調用各個子函數。在對應機器語言中，GCC把過程轉化成棧幀（frame），簡單的說，每個棧幀對應一個過程。X86-32典型棧幀結構中，由%ebp指向棧幀開始，%esp指向棧頂。
函數進入和返回
函數的進入和退出，通過指令call和ret來完成，給一個例子
#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 ---------- */
命令行中調用gcc，生成匯編語言：
Shell > gcc –S –o test.s test.c
Main函數第40行的指令Callfoo其實干了兩件事情：
- Pushl %rip //保存下一條指令（第41行的代碼地址）的地址，用於函數返回繼續執行
- Jmp foo //跳轉到函數foo
Foo函數第19行的指令ret 相當於：
- popl %rip //恢復指令指針寄存器
棧幀的建立和撤銷
還是上一個例子，看看棧幀如何建立和撤銷。
說題外話，以”點”做為前綴的指令都是用來指導匯編器的命令。無意於程序理解，統統忽視之，比如第31行。
棧幀中，最重要的是幀指針%ebp和棧指針%esp，有了這兩個指針，我們就可以刻畫一個完整的棧幀。
函數main的第30~32行，描述了如何保存上一個棧幀的幀指針，並設置當前的指針。
第49行的leave指令相當於：
Movq %rbp %rsp //撤銷棧空間，回滾%rsp。
Popq %rbp //恢復上一個棧幀的%rbp。
同一件事情會有很多的做法，GCC會綜合考慮，並作出選擇。選擇leave指令，極有可能因為該指令需要存儲空間少，需要時鍾周期也少。
你會發現，在所有的函數中，幾乎都是同樣的套路，我們通過gdb觀察一下進入foo函數之前main的棧幀，進入foo函數的棧幀，退出foo的棧幀情況。
Shell> gcc -g -o testtest.c
Shell> gdb --args test
Gdb > break main
Gdb > run
進入foo函數之前：
你會發現rbp-rsp=0×20，這個是由代碼第11行造成的。
進入foo函數的棧幀：
回到main函數的棧幀，rbp和rsp恢復成進入foo之前的狀態，就好像什么都沒發生一樣。
可有可無的幀指針
你剛剛搞清楚幀指針，是不是很期待要馬上派上用場，這樣你可能要大失所望，因為大部分的程序，都加了優化編譯選項：-O2，這幾乎是普遍的選擇。在這種優化級別，甚至更低的優化級別-O1，都已經去除了幀指針，也就是%ebp中再也不是保存幀指針，而且另作他途。
在x86-32時代，當前棧幀總是從保存%ebp開始，空間由運行時決定，通過不斷push和pop改變當前棧幀空間；x86-64開始，GCC有了新的選擇，優化編譯選項-O1，可以讓GCC不再使用棧幀指針，下面引用 gcc manual 一段話 ：
-O also turns on -fomit-frame-pointer on machines where doing so does not interfere with debugging.
這樣一來，所有空間在函數開始處就預分配好，不需要棧幀指針；通過%rsp的偏移就可以訪問所有的局部變量。說了這么多，還是看看例子吧。同一個例子， 加上-O1選項：
Shell>: gcc –O1 –S –o test.s test.c
分析main函數，GCC分析發現棧幀只需要8個字節，於是進入main之后第一條指令就分配了空間(第23行)：
Subq $8, %rsp
然后在返回上一棧幀之前，回收了空間（第34行）：
Addq $8, %rsp
等等，為啥main函數中並沒有對分配空間的引用呢？這是因為GCC考慮到棧幀對齊需求，故意做出的安排。再來看foo函數，這里你可以看到%rsp是如何引用棧空間的。等等，不是需要先預分配空間嗎？這里為啥沒有預分配，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。
訪問棧頂之外
通過readelf查看可執行程序的header信息：
紅色區域部分指出了x86-64遵循ABI規則的版本，它定義了一些規范，遵循ABI的具體實現應該滿足這些規范，其中，他就規定了程序可以使用棧頂之外128字節的地址。
這說起來很簡單，具體實現可有大學問，這超出了本文的范圍，具體大家參考虛擬存儲器。別的不提，接着上例，我們發現GCC利用了這個特性，干脆就不給foo函數分配棧幀空間了，而是直接使用棧幀之外的空間。@恨少說這就相當於內聯函數唄，我要說：這就是編譯優化的力量。
寄存器保存慣例
過程調用中，調用者棧幀需要寄存器暫存數據，被調用者棧幀也需要寄存器暫存數據。如果調用者使用了%rbx，那被調用者就需要在使用之前把%rbx保存起來，然后在返回調用者棧幀之前，恢復%rbx。遵循該使用規則的寄存器就是被調用者保存寄存器，對於調用者來說，%rbx就是非易失的。
反過來，調用者使用%r10存儲局部變量，為了能在子函數調用后還能使用%r10，調用者把%r10先保存起來，然后在子函數返回之后，再恢復%r10。遵循該使用規則的寄存器就是調用者保存寄存器，對於調用者來說，%r10就是易失的，舉個例子：
#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 ---------- */
命令行中調用gcc，生成匯編語言：
Shell>: gcc –O1 –S –o test2.s test2.c
在函數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說明該行為。在函數返回之前，GCC依次恢復了他們，就如代碼27-28展示的那樣。
看這段代碼你可能會困惑？為什么%rbx在函數進入的時候，指向的是-16（%rsp），而在退出的時候，變成了32(%rsp) 。上文不是介紹過一個重要的特性嗎？訪問棧幀之外的空間，這是GCC不用先分配空間再使用；而是先使用棧空間，然后在適當的時機分配。第11行代碼展示了空間分配，之后棧指針發生變化，所以同一個地址的引用偏移也相應做出調整。
X86時代，參數傳遞是通過入棧實現的，相對CPU來說，存儲器訪問太慢；這樣函數調用的效率就不高，在x86-64時代，寄存器數量多了，GCC就可以利用多達6個寄存器來存儲參數，多於6個的參數，依然還是通過入棧實現。了解這些對我們寫代碼很有幫助，起碼有兩點啟示：
- 盡量使用6個以下的參數列表，不要讓GCC為難啊。
- 傳遞大對象，盡量使用指針或者引用，鑒於寄存器只有64位，而且只能存儲整形數值，寄存器存不下大對象
讓我們具體看看參數是如何傳遞的：
#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 ---------- */
命令行中調用gcc，生成匯編語言：
Shell>: gcc –O1 –S –o test1.s test1.c
Main函數中，代碼31~37准備函數foo的參數，從參數7開始，存儲在棧上，%rsp指向的位置；參數6存儲在寄存器%r9d；參數5存儲在寄存器%r8d；參數4對應於%ecx；參數3對應於%edx；參數2對應於%esi；參數1對應於%edi。
Foo函數中，代碼14-15，分別取出參數7和參數1，參與運算。這里數組引用，用到了最經典的尋址方式，-40（%rsp，%rdi，4）=%rsp + %rdi *4 + (-40);其中%rsp用作數組基地址；%rdi用作了數組的下標；數字4表示sizeof（int）=4。
結構體傳參
應@桂南要求，再加一節，相信大家也很想知道結構體是如何存儲，如何引用的，如果作為參數，會如何傳遞，如果作為返回值，又會如何返回。
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 ---------- */
我們缺省編譯選項，加了優化編譯的選項可以留給大家思考。
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，
問題1：結構體如何傳遞？它被分成了兩個部分，var8和var32合並成8個字節的大小，放在寄存器%rdi中，var64放在寄存器的%rsi中。也就是結構體分解了。
問題2：結構體如何存儲? 注意看foo函數的第15~17行注意到，結構體的引用變成了一個偏移量訪問。這和數組很像，只不過他的元素大小可變。
問題3：結構體如何返回，原本%rax充當了返回值的角色，現在添加了返回值2：%rdx。同樣，GCC用兩個寄存器來表示結構體。
恩， 即使在缺省情況下，GCC依然是想盡辦法使用寄存器。隨着結構變的越來越大，寄存器不夠用了，那就只能使用棧了。
總結
了解寄存器和棧幀的關系，對於gdb調試很有幫助；過些日子，一定找個合適的例子和大家分享一下。
參考
1. 深入理解計算機體系結構
2. x86系列匯編語言程序設計