ARMV8 - A64 - 函数调用,内存栈操作

说明

  • 看了下ARM平台上C语言函数调用的反汇编代码,理清楚了其中的内存栈汇编操作,特整理下。
  • 本文环境基于:ARMv8-a架构A53核soc,aarch64状态。

预先了解的知识点

内存栈

  • 栈和栈帧的基本概念
  • 重点:出栈入栈的单位不是单个局部变量,而是栈帧。

相关寄存器

  1. FP:Frame Pointer(栈帧指针),指向当前栈帧的顶部,在A53平台是使用通用寄存器x29保存。
  2. SP:Stack Pointer(栈顶指针),保存当前栈顶地址,在A53平台是一个特殊寄存器,不同异常等级是不同的寄存器,
  3. LR:Link Register(链接寄存器),保存子函数运行结束后的返回地址(跳转指令的下一条指令地址),在A53平台是使用通用寄存器x30充当,详细使用请看bl和ret指令说明。
  • 问题:初次了解,不好理解和区分x29和SP的作用和角色,SP是全局唯一的保存栈顶地址的寄存器,而x29是保存单个函数的栈帧基址,调用新函数,入栈操作结束后,需要将SP的值赋值给x29,类似于:SP是全局变量,而x29是局部变量,虽然大部分时刻两个寄存器值是一样的。

相关汇编指令

  • 函数调用实现原理,跳转和返回指令
  • 内存操作store,load

实例

  • C源码(a.c)
#include <stdio.h>int test1()
{return test(1, 2);
}int test(int a, int b)
{return a+b;
}int main()
{test1();return 0;
}
  • 对应的汇编代码(aarch64-linux-gnu-gcc -S a.c)
    .arch armv8-a.file   "a.c".text.align  2.global test1.type   test1, %function
test1:stp x29, x30, [sp, -16]!add x29, sp, 0mov w1, 2mov w0, 1bl  testldp x29, x30, [sp], 16ret.size   test1, .-test1.align  2.global test.type   test, %function
test:sub sp, sp, #16str w0, [sp, 12]str w1, [sp, 8]ldr w1, [sp, 12]ldr w0, [sp, 8]add w0, w1, w0add sp, sp, 16ret.size   test, .-test.align  2.global main.type   main, %function
main:stp x29, x30, [sp, -16]!add x29, sp, 0bl  test1mov w0, 0ldp x29, x30, [sp], 16ret.size   main, .-main.ident  "GCC: (Linaro GCC 6.3-2017.05) 6.3.1 20170404".section    .note.GNU-stack,"",@progbits

说明

  • 从汇编代码可以看出存在两种不同实现,如下:
  1. 函数调用栈中间函数(test1)
  2. 函数调用栈末端函数(test)

中间函数

test1:stp x29, x30, [sp, -16]! //将栈空间扩大16字节(更改sp寄存器值),再将x29,x30的数据(遗传自父函数)保存到栈顶 add x29, sp, 0 //将栈顶地址(sp)即此函数的栈帧基址保存到x29,...  //函数操作(省略)bl  test //跳转到test函数执行ldp x29, x30, [sp], 16 //将栈顶数据load到x29,x30中,再缩小栈空间16字节(即将sp恢复到父函数的栈顶)ret //返回父函数

末端函数

test:sub sp, sp, #16 //将sp保存的数据减小16字节,即将栈空间扩大16字节... //函数操作(省略)add sp, sp, 16 //将sp保存的数据增加16字节,即将栈空间缩小16字节ret

问题

  1. 为什么中间函数和末端函数实现不同,中间函数需要将x29,x30保存到栈内存中,最后再从栈内存中load到x29,x30中。
  • 是因为中间函数(test1)bl指令调用末端函数(test)时,会覆盖掉x30的数据(原本保存的是父函数main,跳转test1的下一条指令),覆盖后中间函数(test1)的ret指令就跳不回main函数了,因此需要先将x30的数据保存到栈上,从子函数跳转回来后,需要将x29,x30的数据从栈上恢复。
  • x29是栈帧指针,保存是当前函数的frame pointer,是约定俗成,因此需要保存和恢复,但是也不是必须,例如:test函数中就没有使用x29。

注意项

  1. sp 必须16Byte 对齐,扩大和缩小都必须是16字节的倍数。

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