指令珠串与局部变量卡片

在学习 forth 时，我们用珠串来理解函数调用机制。

  (op)
  (op)
[ (op) ] - [ (op) ] - [ (op) ]
  (op)       (op)       (op)
             (op)

C 的函数调用机制，也可以用珠串来想象。 但是与 forth 不同的是：

• 传递参数用参数寄存器，传递返回值用 rax。
• 每个珠串中的珠子是指令，而不是 forth 中的线串码地址。
• 每一串珠子带有局部变量卡片。

  (op)
  (op)
[ (op) ·----· ] - [ (op) ·----· ] - [ (op) ·----· ]
  (op) | v1 |       (op) | v1 |       (op) | v1 |
       | v2 |       (op) | v2 |            ·----·
       ·----·            | v3 |
                         ·----·

每次珠子在移动的时候，可以修改卡片中局部变量的值。

卡片在内存中的具体结构是：

• 栈向小地址方向生长。
• 卡片中前两个位置可以看作是表头中保存的元数据， 用来连接到之前的卡片（前一个 rbp 指针）， 以及连接到之前的珠子（返回地址）。

内存	说明
[rbp + 8]	返回地址
[rbp]	前一个 rbp 指针
------------	-----------------
[rbp - 8]	variable 1
[rbp - 16]	variable 2
...	...
[rsp]	variable n

构建局部变量卡片所需要用到的 .prolog 和 .epilog 代码：

• 预留 N bytes 空间，来保存局部变量。
• 由于函数调用之前，rsp 必须 16 byte 对齐， 因此下面的例子中，N 必须 16 byte 对齐。

.prolog:
  push rbp
  mov rbp, rsp
  sub rsp, N

  <body>

.epilog:
  add rsp, N
  pop rbp
  ret

通用寄存器分类

通用寄存器分为两类。

• 临时寄存器：rax rcx rdx rsi rdi r8 r9 r10 r11

  包括了：

  • 参数寄存器：rdi rsi rdx rcx r8 r9
  • 返回值寄存器：rax

• 长期寄存器：rsp rbp rbx r12 r13 r14 r15

  包括了：

  • 栈指针寄存器：rsp
  • 栈基寄存器：rbp

caller 和 callee 的职责分配：

• caller：

  • 假设 callee 不会修改长期寄存器。

  • 假设 callee 会修改临时寄存器。 因此在调用 callee 之前，如果有 live 的变量被分配到了临时寄存器中， 就需要先保存这些寄存器，在调用结束时恢复。

    • 由于在函数调用之前 rsp 必须 16 byte 对齐， 所以如果保存临时寄存器之后没有对齐， 就需要 sub rsp, 8 以保证对齐， 在调用结束时恢复。

• callee：

  • 假设 caller 不会用到临时寄存器，可以随意使用临时寄存器。

  • 假设 caller 用到了所有长期寄存器。 因此如果需要使用长期寄存器， 就先在 .prolog 中保存长期寄存器， 再在 .epilog 中恢复。

    • 由于在函数调用之前 rsp 必须 16 byte 对齐， 所以在 .prolog 中保存寄存器要在 sub rsp, N 之前， 利用 N 来做 16 byte 对齐时， 要考虑到已经保存了的长期寄存器数量的。 之后在用 [rbp + X] 来引用局部变量时， 需要首跨过所保存的长期寄存器。