05 Function

这篇笔记介绍lecture9，汇编中的函数。

函数

在函数实现中，包含许多处理

调用函数
返回
传递数据
寄存器
局部变量

函数调用

调用函数使用 call 指令。

call label    # direct
call *operand # indirect

call 指令会将返回地址存入栈中，并跳到函数的代码段。具体地，会将 %rsp 的值降低（push）， %rip 的值会被改为函数代码的位置。

返回使用 ret （已在ICS 03中提到）。

与 call 类似， ret 会增加 %rsp 的值（pop），将 %rip 改为原来的下一条指令地址。

栈帧结构

栈帧结构指为程序分配的栈部分， %rsp 指针指向栈顶。

stack frame

在调用函数时，会先将返回地址入栈，然后执行函数，入栈所需量。函数结束后，出栈直到执行函数之前的位置。

传输数据

根据参数的大小，有特定的寄存器储存参数。返回值一般保存在 %rax 中。

arguments

在参数多于六个的时候，参数会被储存在栈中，返回地址之前。其中第n个参数在最上面，第7个参数在栈顶（与返回地址相邻）。另外，所有数据大小都向上取整为8的倍数。

void proc(long a1, long *a1p,
int a2, long *a2p,
short a3, short *a3p,
char a4, char *a4p)
{
    *a1p += a1;
    *a2p += a2;
    *a3p += a3;
    *a4p += a4;
}

proc:
    movq   16(%rsp), %rax
    addq   %rdi, (%rsi)
    addl   %edx, (%rcx)
    addw   %r8w, (%r9)
    movl   8(%rsp), %edx
    addb   %dl, (%rax)
    ret

寄存器使用约定

对于某个寄存器，只允许一个函数活动。在调用函数前，需要保存使用的寄存器值。另外，在寄存器分配和保存时，只需考虑实际使用的寄存器。

寄存器分为被调用者保存的寄存器和被被调用者保存的寄存器。

调用者保存的寄存器有

%rax, %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9, %r10, %r11

被调用的函数可以随意使用这些寄存器。函数结束后，如果还需要使用这些寄存器，需要还原调用函数之前的值。寄存器的原值存储在调用者的栈之后，第7-n个参数之前（即调用函数相关的内容中，寄存器原值存储在栈最底端）。

被调用者（被调用的函数）保存的寄存器有

%rbx, %rbp, %r12-15

类似地，调用者可以随意使用这些寄存器。被调用者使用之前要将原值存储，函数结束后返回。这些原值存储在返回地址的下面（相对而言是栈的上方）。

例如对于

long P(long x, long y)
{
    long u = Q(x);
    long v = Q(x);
    return u + v;
}

对应汇编为

P:
    pushq  %rbp
    pushq  %rbx        # save %rbp & %rbx
    subq   $8, %rsp
    movq   %rdi, %rbp
    movq   %rsi, %rbx  # save x & y
    call Q
    movq   %rax, %rbx
    movq   %rbp, %rdi
    call Q
    addq   %rbx, %rax
    addq   $8, %rsp
    popq   %rbx
    popq   %rbp
    ret

局部变量

局部变量被储存在栈中。考虑到寄存器数量有限、可能需要存储数据结构、需要地址等原因，局部变量不会存储在寄存器里，而是存储在栈中，寄存器的下方（栈顶）。使用局部变量的时候，计算它们和 %rsp 的相对位置。

函数总结

调用函数时，操作如下：

存储调用者负责的寄存器（ %eax 等）
存储剩余参数（7-n）
传递前6个参数
存储返回地址
调用函数
存储函数负责的寄存器
为局部变量分配空间

返回时操作如下：

将返回值存储在 %rax
释放局部变量获得的空间
恢复函数储存的寄存器
执行 ret ，将返回地址出栈

可以看到这一套流程之后，参数7-n与调用者负责的寄存器仍在栈中。

递归

对于递归函数，将这部分的内容与上一篇笔记的 jmp 结合。

对于这个递归函数

long rfact(long n)
{
    long result;
    if (n <= 1) {
        result = 1;
    } else {
        result = n * rfact(n - 1);
    }
    return result;
}

对应汇编为

rfact:				
    pushq  %rbx
    movq   %rdi, %rbx
    movl   $1, %eax
    cmpq   $1, %rdi
    jle    .L35
    leaq   -1(%rdi), %rdi
    call   rfact
    imulq  %rbx, %rax
.L35
    popq 	%rbx
    ret

函数​

函数调用​

返回​

栈帧结构​

传输数据​

寄存器使用约定​

局部变量​

函数总结​

递归​

函数