通用寄存器

对于 x86-64 架构，共有16个64位通用寄存器，各寄存器及用途如下图所示：

  • 每个寄存器的用途并不是单一的。
  • %rax 通常用于存储函数调用的返回结果，同时也用于乘法和除法指令中。在imul 指令中，两个64位的乘法最多会产生128位的结果，需要 %rax 与 %rdx 共同存储乘法结果，在div 指令中被除数是128 位的，同样需要%rax 与 %rdx 共同存储被除数。
  • %rsp 是堆栈指针寄存器，通常会指向栈顶位置，堆栈的 pop 和push 操作就是通过改变 %rsp 的值即移动堆栈指针的位置来实现的。
  • %rbp 是栈帧指针，用于标识当前栈帧的起始位置
  • %rdi, %rsi, %rdx, %rcx,%r8, %r9 六个寄存器用于存储函数调用时的6个参数（如果有6个或6个以上参数的话）。
  • 被标识为 “miscellaneous registers” 的寄存器，属于通用性更为广泛的寄存器，编译器或汇编程序可以根据需要存储任何数据。

“Caller Save” 和 ”Callee Save” 寄存器

这里还要区分一下 “Caller Save” 和 ”Callee Save” 寄存器，即寄存器的值是由”调用者保存“ 还是由 ”被调用者保存“。当产生函数调用时，子函数内通常也会使用到通用寄存器，那么这些寄存器中之前保存的调用者(父函数）的值就会被覆盖。为了避免数据覆盖而导致从子函数返回时寄存器中的数据不可恢复，CPU 体系结构中就规定了通用寄存器的保存方式。

如果一个寄存器被标识为”Caller Save”， 那么在进行子函数调用前，就需要由调用者提前保存好这些寄存器的值，保存方法通常是把寄存器的值压入堆栈中，调用者保存完成后，在被调用者（子函数）中就可以随意覆盖这些寄存器的值了。如果一个寄存被标识为“Callee Save”，那么在函数调用时，调用者就不必保存这些寄存器的值而直接进行子函数调用，进入子函数后，子函数在覆盖这些寄存器之前，需要先保存这些寄存器的值，即这些寄存器的值是由被调用者来保存和恢复的。

函数调用

子函数调用过程

子函数调用时，调用者与被调用者的栈帧结构如下图所示：

在子函数调用时，执行的操作有：

  1. 父函数将调用参数从后向前压栈
  2. 将返回地址压栈保存
  3. 跳转到子函数起始地址执行
  4. 子函数将父函数栈帧起始地址（%rpb） 压栈
  5. 将 %rbp 的值设置为当前 %rsp 的值，即将 %rbp 指向子函数栈帧的起始地址

函数返回

函数返回时，我们只需要得到函数的返回值（保存在 %rax 中），之后就需要将栈的结构恢复到函数调用之差的状态，并跳转到父函数的返回地址处继续执行。由于函数调用时已经保存了返回地址和父函数栈帧的起始地址，要恢复到子函数调用之前的父栈帧，我们只需要执行以下两条指令：

1
2
movq %rbp, %rsp    # 使 %rsp 和 %rbp 指向同一位置，即子栈帧的起始处
popq %rbp # 将栈中保存的父栈帧的 %rbp 的值赋值给 %rbp，并且 %rsp 上移一个位置指向父栈帧的结尾处

为了便于栈帧恢复，x86-64 架构中提供了 leave 指令来实现上述两条命令的功能。执行 leave 后，前面图中函数调用的栈帧结构如下：

可以看出，调用 leave 后，%rsp 指向的正好是返回地址，x86-64 提供的 ret 指令，其作用就是从当前 %rsp 指向的位置（即栈顶）弹出数据，并跳转到此数据代表的地址处，在leave 执行后，%rsp 指向的正好是返回地址，因而 ret 的作用就是把 %rsp 上移一个位置，并跳转到返回地址执行。可以看出，leave 指令用于恢复父函数的栈帧，ret 用于跳转到返回地址处，leave 和ret 配合共同完成了子函数的返回。当执行完成 ret 后，%rsp 指向的是父栈帧的结尾处，父栈帧尾部存储的调用参数由编译器自动释放。