AArch64和X86下的函数调用 - Polaris

AArch64和X86下的函数调用

最近在研究llvm-bolt的indirect-call-promotion优化，借着这个机会一并总结下函数调用的概念以及底层的一些相关实现，鉴于知识局限性，部分细节描述可能不到位，欢迎纠正。
函数调用在 CPU层面的实现，并不像高级语言的实现中看起来那么简单，即使是汇编指令也是隐藏了大量细节的一层封装。

不同架构下的通用寄存器

AArch64架构下的通用寄存器

• AArch64架构下有31个64bit通用寄存器，还有几个特殊寄存器。

X0 ~ X30: 通用寄存器
XZR: 零寄存器
SP：栈指针注：SP和XZR共享同一个寄存器编码（X31的编码），但不是同一个物理寄存器；SP对应真实物理寄存器，但是XZR是一种0的硬编码，不对应物理寄存器

• 各寄存器一般作用

寄存器	别名/特殊用途	典型作用	调用约定
X0–X7	函数参数寄存器	用于传递前 8 个函数参数；返回值也放在 X0（必要时 X1）	caller-saved
X8	Indirect result location register	用于返回结构体地址（ABI 规定）	caller-saved
X9–X15	临时寄存器（caller-saved）	调用者保存，函数内部可随意使用	caller-saved
X16–X17	IP0/IP1（内部用途寄存器）	链接器、PLT、跳转表等使用；也可作 scratch	caller-saved
X18	平台寄存器（Platform register）	某些 OS 保留（如 Windows），Linux 通常可用	N/A
X19–X28	被调用者保存（callee-saved）	函数必须在使用前保存并在返回前恢复	callee-saved
X29	FP（Frame Pointer）	帧指针，指向当前栈帧	N/A
X30	LR（Link Register）	返回地址寄存器	N/A
X31	SP 或 XZR	编码上是同一个，但语义不同：作为 SP 时是栈指针；作为 XZR 时是零寄存器	N/A

X86架构下的通用寄存器

TODO

不同架构下的函数调用实现

AArch64架构下的实现

参数传递

函数调用传递参数时一般优先通过寄存器传递。
在AArch64架构下，X0~X7共计8个寄存器用于传递函数参数，如果函数参数超过8个，则需要调用者将后续参数按照16字节对齐放到栈上。

返回值传递

• 整型、指针：使用X0寄存器
• 较大返回值，如128位值：X0、X1
• 大型结构体：调用者需要先分配一个内存空间，把地址放到X8，被调用者向该地址写入返回值。

函数调用现场

调用时

1. 调用者：如果调用者要在函数调用后继续使用caller-saved寄存器（X0~X17）的值，则需要显式保存需要使用的寄存器。
2. 被调函数：开辟一块栈空间
3. 被调函数：保存FP和LR寄存器
4. 被调函数：更新FP为当前SP
5. 被调函数：保存需要使用到的callee-saved寄存器（X19~X28）

返回时

1. 被调函数：返回值放到X0（超长返回值还需要X1），或者X8所指向的内存空间
2. 从栈空间恢复调用开始时保存的callee-saved寄存器。
3. 从栈空间恢复FP、LR寄存器
   注：

• 如果函数是叶子函数，则不需要保存X30寄存器，因为叶子函数内不会存在BL/BLR指令，X30寄存器不会被修改。
• 如果不使用FP指针，那么也不需要保存X29寄存器。（编译器参数-fomit-frame-pointer可以强制不使用FP指针）

典型栈帧

高地址
+---------------------+
|    FP和LR寄存器      |
+---------------------+
|  被调函数保存的寄存器  |
+---------------------+
|  局部变量 align16    |
+---------------------+
低地址（SP）

函数调用指令

AArch64架构下真正用于函数调用的指令有两条：BL和BLR，另外，对于尾调用优化场景，还可以使用B和BR指令。
BL和BLR指令是带返回的，会自动将下一条指令地址保存到LR寄存器中；ret指令根据LR寄存器存放的地址决定返回到哪里继续执行程序。如果是B或者BL指令，则不会有存储下一条指令地址的行为。

X86架构下的实现

TODO

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/394009663
https://zhuanlan.zhihu.com/p/394106095
https://my.oschina.net/emacs_8494641/blog/16516699
https://false-mask.github.io/计算机基础/assembly/arm-aapcs.html