07MachineLevelProgramming03Procedures

概述 #

procedures：面向过程编程中的函数、过程，或者，面向对象中的方法
abi(应用程序二进制接口): application binary interface。它要求所有Linux程序、编译器、操作系统、系统所有不同部分，都需要对如何管理机器上的资源有一些共同的理解。机器程序级别的接口。

  • ABI关注的是二进制代码如何在实际硬件上执行和交互
  • Windows、Linux 和 macOS 的 ABI（应用程序二进制接口）在核心设计上有显著差异，这导致它们的二进制程序通常无法直接跨平台运行。

控制(函数调用) #

  1. 将控制权转移给另一个函数，且函数执行完毕后返回控制权
  2. 如何传参，以及被调用函数如何将结果传给调用函数
  3. 被调用函数中的局部变量分配问题
  4. 尽量减小过程调用中的开销(对于程序员，良好的编程习惯: 尽量多功能多函数)

控制权转移 #

  • stack(栈)：其实只是普通内存的一块区域
  • 对于汇编层面的程序员来说，内存只是一个巨大的字节数组
  • 用栈来管理过程调用与返回的状态
  • 利用栈后进先出的特点：调用函数时需要一些信息，从函数返回需要丢掉一些信息。

pop #

这是三个操作复合成一个操作（先读取，后递减栈指针，最后存储值）

栈的释放只是移动栈指针，没有其他特殊操作。数据还在内存中，只不过不是栈的一部分了。

push #

  • 被push的参数，也必须是寄存器，或立即数。（因为不允许直接从内存传递数据到内存）
  • 这也是个复合操作：获取操作数，递减栈指针(而且，内存读一个数据，数据的地址指的是它的(最)低地址)，最后写入值

例子1 #

  • call和ret引用了栈的思想
  • 局部变量的存取通过 %rsp 偏移(%rsp-8,%rsp+8之类)实现，不会直接修改 %rsp

调用前将返回地址压入栈中，然后去执行函数，调用后从栈顶(%rsp)取出调用函数前存的下一条指令的地址，并将%rip(程序计数器[Program Counter, PC]设置为该值
注意：在函数返回前，需通过 add $N, %rsp 或 leave 指令（相当于 mov %rbp, %rsp + pop %rbp）恢复[很重要!!] %rsp 到调用前的状态。

例子2(call) #

例子3(ret) #

传递数据 #

这里的参数说的是整型，浮点数是另一组

如果超过了6个，如下图，最后的那个参数(接近栈底)先分配

例子 #

无论是什么参数，都按列出的顺序被传递给这(上图)一系列寄存器

本地数据(local variable) #

  • 栈帧：一种特别的内存分配模式(在当前函数分配他需要的空间)
  • 给定任何时间内只有一个函数在运行(单线程)
  • 把栈上用于特定call的每个内存块，成为栈帧

CallChainExample #

栈帧 #

  • %rsp(栈指针)，始终指向栈的顶部（即当前可用内存的最低地址），由 CPU 硬性维护。必须存在（不可省略）
  • %rbp(基址指针/帧指针)，通常用于标记当前栈帧的起始位置，便于访问局部变量和参数，可选（可被优化省略）

几个误区 #

  1. 误区：返回地址存储在 %rbp 中。事实：返回地址在栈中，由 %rsp 或 %rbp 的偏移量定位（如 8(%rbp)）。
  2. 误区：每次访问局部变量都会改变 %rsp。事实：只有分配/释放栈空间时 %rsp 会变，访问变量是通过固定偏移（如 -4(%rbp)）完成。
  3. 误区：%rbp 必须用于访问局部变量。事实：优化模式下编译器直接用 %rsp 偏移访问变量（省略 %rbp）。

例子 #

每调用一次函数，%rbp都会改变，如果分配了新变量，%rsp也会改变

系统限制了栈的最大深度，递归可能耗尽空间

提问 #

既然%rbp是可选的，那么程序怎么知道如何释放空间？如何将栈重置回原来位置

  1. 编译器知道当它分配时，需要分配16(假设)个字节，那么它最终就会释放16个字节
  2. 如果分配的是可变大小的数组或内存缓冲区，会在这种情况下使用%rbp来实现这个目的

x86-64/LinuxStackFrame #

在函数开始之前，所有的信息都已经在栈中

例子1 #

该函数返回第一个参数原来的值，且第一个参数的值改为两参数之和。

例子2 #

  • 这里分配了16字节而不是8字节，是因为一些约定要求内存地址保持对齐
  • movl（4字节）；movq（8字节）；movl命令比movq命令，少一个字节表示(二进制表示)

关于寄存器的约定 #

  • 如果调用者想要调用函数后再使用某寄存器的值，需要在调用函数前保存它
  • 如果被调用者想要修改某寄存器，需要在修改前保存，返回前恢复它的值

x86-64 LinuxRegisterUsage #

调用者保存 #

允许被任意修改，无需恢复
如果下列寄存器在调用其他函数后还需用到原值，调用者自己要保存

被调用者保存 #

不允许被任意修改，如果被修改了，那么得在函数返回前恢复
如果下列寄存器需要被修改，那么修改前得保存，函数返回前得恢复

被调用者保存的示例 #

  1. 栈指针%rsp在退出函数前得恢复(被调用者保存)
  2. 参数%rdi在调用其他函数前得保存(会被其他函数覆盖，调用者保存)
  3. 普通寄存器%rbx被修改了(它是被调用者保存，修改前得被备份到栈中)
  • 代码中，%rdi在函数执行后并没有被恢复(调用者保存，可以任意修改)
  • %rsp和%rbx在函数返回前均被恢复了(被调用者保存，不能任意修改，如果修改了需要在函数返回前恢复)

总结 #

递归 #

  • 编译器不特殊处理递归函数，与普通函数一样处理
  • 计算该数的二进制表示有几个1
  • testq b,a相当于计算 a&b
  • %rbx是被调用者保存,%rdi是调用者保存
  • 这里%rdi旧值存到了%rbx中，后面没有再用到%rdi了。虽然后面还会用到%rbx，但是%rbx寄存器每次在函数返回后都会被恢复
  • 到最后发现，那些可能被重用的值，都在栈上了
  • (%ebx)任何计算结果是32位(四字节)的计算，会把寄存器其余32位设置为0(高四字节)

  • 逻辑移位：右移时高位补0，左移低位补0
  • 算数位移：右移时高位补符号位（MSB），左移补0
  • 对于c，只有<<和>>

概述 #

寄存器保存约定确保了函数之间避免出现相互摧毁彼此数据的情况

关于过程调用，你需要记住的就是栈原则