函数调用过程的汇编代码分析（arm64指令集），顺便关注一下栈空间的分配与回收。

下述C语言程序包含了一个简单的add()函数，该函数接受两个整型参数，计算并返回两者的和。

main()函数调用执行了add()函数来计算3+2的和,并将计算结果打印出来。

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#include <stdio.h>

int add(int a, int b){
    int t =  a + b;
    return t;
}

int main(){
    int x = 3;
    x = add(x,2);
    printf("%d",x);
    return 1;
}

为了从机器指令层面理解上述函数调用过程中的传参、跳转、返回等行为，我们在浏览器中访问了下述网站：

image-20220514225243460

在粘贴相关代码并选择ARM64 gcc 9.3选项后，我们得到下述汇编语言指令序列：

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add(int, int):
        sub     sp, sp, #32
        str     w0, [sp, 12]
        str     w1, [sp, 8]
        ldr     w1, [sp, 12]
        ldr     w0, [sp, 8]
        add     w0, w1, w0
        str     w0, [sp, 28]
        ldr     w0, [sp, 28]
        add     sp, sp, 32
        ret
.LC0:
        .string "%d"
main:
        stp     x29, x30, [sp, -32]!
        mov     x29, sp
        mov     w0, 3
        str     w0, [sp, 28]
        mov     w1, 2
        ldr     w0, [sp, 28]
        bl      add(int, int)
        str     w0, [sp, 28]
        ldr     w1, [sp, 28]
        adrp    x0, .LC0
        add     x0, x0, :lo12:.LC0
        bl      printf
        mov     w0, 1
        ldp     x29, x30, [sp], 32
        ret

第2 ~ 11行：函数add()的实体

第2行：将栈指针(stack pointer)寄存器sp的值减去32，结果仍存储到sp中。显然，该指令事实上为自动变量分配了栈空间。

第10行：在函数返回前，将栈指针（stack pointer)寄存器的值增加32，结果仍存储到sp中。显然，该指令事实上回收了栈空间，回收的数量与分配的数量一致。

第3行：将寄存器w0中的32位数值存储到内存地址sp+12处，结合后续代码可以知道，sp+12处存储的即是形参a。

第4行：将寄存器w1中的32位数值存储到内存地址sp+8处，结合后续代码可以知道，sp+8处存储的即是形参b。

第5行：将存储于sp+12处的形参a值装入寄存器w1。

第6行：将存储于sp+8处的形参b值装入寄存器w0。

第7行：将寄存器w1和w0的值相加，结果存入w0，此处事实上相加的即是形参a和b。

第8行：将寄存器w0中的32位数值存入地址sp+28处。可以推测，sp+28处存储的即为自动变量t。

第9行：将sp+28处的自动变量t装入寄存器w0, 结合后续代码可知，w0寄存器被用于向函数的调用者返回计算结果。

第11行：返回x30寄存器所标识的地址继续执行，此时，x30寄存器所标识的地址为上述代码的第22行。

第14 ~ 29行：函数main()的实体

第17行：将整数3存入w0寄存器。

第18行：将w0中的32位值存入sp+28处。合理推测，sp+28处为变量x的存放位置。

第19行：将整数2存入w1寄存器，结合add()代码可知，add()通过w1寄存器获得参数b。

第20行：将sp+28处的变量x的值存入寄存器w0。结合add()代码可知，add()通过w0寄存器获得参数a。

第 21行：在准备好函数调用的参数（a,b分别在w0和w1寄存器内）后，branch & link指令完成两件工作：

  • 将pc+4的值存入x30寄存器，其中，pc表示当前指令地址（第21行），pc+4即指向当前指令的下一条，也就是第22行。
  • 跳转到add()函数函数，即第2行。

当add()函数完成任务后，第11行ret指令将返回x30寄存器标识的地址继续执行，即返回代码的第22行。

第22行：将w0寄存器的23位数值装入内存地址sp+28处。结合add()函数代码可知，此时的w0寄存器事实上存储的是add()函数的计算结果。这行代码事实上取得了add()函数的返回值，并将其存入x变量(sp+28)。

在代码的后续部分，我们还看到main()函数对printf()函数的调用… 略。

总结

  • 函数执行过程中，确实通过修改sp（栈顶指针）的值来分配和回收栈空间，栈空间用于存储自动变量。
  • 在寄存器够用的情况下，程序会尽量通过寄存器传参，并获取返回值。因为寄存器的访问速度比内存快得多。

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