X86-64寄存器和栈帧

概要

说到x86-64，总不免要说说AMD的牛逼，x86-64是x86系列中集大成者，继承了向后兼容的优良传统，最早由AMD公司提出，代号AMD64；正是由于能向后兼容，AMD公司打了一场漂亮翻身战。导致Intel不得不转而生产兼容AMD64的CPU。这是IT行业以弱胜强的经典战役。不过，大家为了名称延续性，更习惯称这种系统结构为x86-64。

X86-64在向后兼容的同时，更主要的是注入了全新的特性，特别的：x86-64有两种工作模式，32位OS既可以跑在传统模式中，把CPU当成i386来用；又可以跑在64位的兼容模式中，更加神奇的是，可以在32位的OS上跑64位的应用程序。有这种好事，用户肯定买账啦。

值得一提的是，X86-64开创了编译器的新纪元，在之前的时代里，Intel CPU的晶体管数量一直以摩尔定律在指数发展，各种新奇功能层出不穷，比如：条件数据传送指令cmovg，SSE指令等。但是GCC只能保守地假设目标机器的CPU是1985年的i386，额。。。这样编译出来的代码效率可想而知，虽然GCC额外提供了大量优化选项，但是这对应用程序开发者提出了很高的要求，会者寥寥。X86-64的出现，给GCC提供了一个绝好的机会，在新的x86-64机器上，放弃保守的假设，进而充分利用x86-64的各种特性，比如：在过程调用中，通过寄存器来传递参数，而不是传统的堆栈。又如：尽量使用条件传送指令，而不是控制跳转指令。

寄存器简介

先明确一点，本文关注的是通用寄存器（后简称寄存器）。既然是通用的，使用并没有限制；后面介绍寄存器使用规则或者惯例，只是GCC（G++）遵守的规则。因为我们想对GCC编译的C(C++)程序进行分析，所以了解这些规则就很有帮助。

在体系结构教科书中，寄存器通常被说成寄存器文件，其实就是CPU上的一块存储区域，不过更喜欢使用标识符来表示，而不是地址而已。

X86-64中，所有寄存器都是64位，相对32位的x86来说，标识符发生了变化，比如：从原来的%ebp变成了%rbp。为了向后兼容性，%ebp依然可以使用，不过指向了%rbp的低32位。

X86-64寄存器的变化，不仅体现在位数上，更加体现在寄存器数量上。新增加寄存器%r8到%r15。加上x86的原有8个，一共16个寄存器。
刚刚说到，寄存器集成在CPU上，存取速度比存储器快好几个数量级，寄存器多了，GCC就可以更多的使用寄存器，替换之前的存储器堆栈使用，从而大大提升性能。

让寄存器为己所用，就得了解它们的用途，这些用途都涉及函数调用，X86-64有16个64位寄存器，分别是：

%rax，%rbx，%rcx，%rdx，%esi，%edi，%rbp，%rsp，%r8，%r9，%r10，%r11，%r12，%r13，%r14，%r15。

其中：

%rax 作为函数返回值使用。
%rsp 栈指针寄存器，指向栈顶
%rdi，%rsi，%rdx，%rcx，%r8，%r9 用作函数参数，依次对应第1参数，第2参数。。。
%rbx，%rbp，%r12，%r13，%14，%15 用作数据存储，遵循被调用者使用规则，简单说就是随便用，调用子函数之前要备份它，以防他被修改

%r10，%r11 用作数据存储，遵循调用者使用规则，简单说就是使用之前要先保存原值

栈帧

栈帧结构

C语言属于面向过程语言，他最大特点就是把一个程序分解成若干过程（函数），比如：入口函数是main，然后调用各个子函数。在对应机器语言中，GCC把过程转化成栈帧（frame），简单的说，每个栈帧对应一个过程。X86-32典型栈帧结构中，由%ebp指向栈帧开始，%esp指向栈顶。

函数进入和返回

函数的进入和退出，通过指令call和ret来完成，给一个例子

#include

#include </code>

int foo ( int x )

{

int array[] = {1,3,5};

return array[x];

} /* ----- end of function foo ----- */

int main ( int argc, char *argv[] )

{

int i = 1;

int j = foo(i);

fprintf(stdout, "i=%d,j=%d\n", i, j);

return EXIT_SUCCESS;

} /* ---------- end of function main ---------- */

命令行中调用gcc，生成汇编语言：

Shell > gcc –S –o test.s test.c

Main函数第40行的指令Callfoo其实干了两件事情：

Pushl %rip //保存下一条指令（第41行的代码地址）的地址，用于函数返回继续执行
Jmp foo //跳转到函数foo

Foo函数第19行的指令ret 相当于：

popl %rip //恢复指令指针寄存器

栈帧的建立和撤销

还是上一个例子，看看栈帧如何建立和撤销。

说题外话，以”点”做为前缀的指令都是用来指导汇编器的命令。无意于程序理解，统统忽视之，比如第31行。

栈帧中，最重要的是帧指针%ebp和栈指针%esp，有了这两个指针，我们就可以刻画一个完整的栈帧。

函数main的第30~32行，描述了如何保存上一个栈帧的帧指针，并设置当前的指针。
第49行的leave指令相当于：

Movq %rbp %rsp //撤销栈空间，回滚%rsp。

Popq %rbp //恢复上一个栈帧的%rbp。

同一件事情会有很多的做法，GCC会综合考虑，并作出选择。选择leave指令，极有可能因为该指令需要存储空间少，需要时钟周期也少。

你会发现，在所有的函数中，几乎都是同样的套路，我们通过gdb观察一下进入foo函数之前main的栈帧，进入foo函数的栈帧，退出foo的栈帧情况。

Shell> gcc -g -o testtest.c

Shell> gdb --args test

Gdb > break main

Gdb > run

进入foo函数之前：

你会发现rbp-rsp=0×20，这个是由代码第11行造成的。
进入foo函数的栈帧：

回到main函数的栈帧，rbp和rsp恢复成进入foo之前的状态，就好像什么都没发生一样。

可有可无的帧指针

你刚刚搞清楚帧指针，是不是很期待要马上派上用场，这样你可能要大失所望，因为大部分的程序，都加了优化编译选项：-O2，这几乎是普遍的选择。在这种优化级别，甚至更低的优化级别-O1，都已经去除了帧指针，也就是%ebp中再也不是保存帧指针，而且另作他途。

在x86-32时代，当前栈帧总是从保存%ebp开始，空间由运行时决定，通过不断push和pop改变当前栈帧空间；x86-64开始，GCC有了新的选择，优化编译选项-O1，可以让GCC不再使用栈帧指针，下面引用 gcc manual 一段话：

-O also turns on -fomit-frame-pointer on machines where doing so does not interfere with debugging.

这样一来，所有空间在函数开始处就预分配好，不需要栈帧指针；通过%rsp的偏移就可以访问所有的局部变量。说了这么多，还是看看例子吧。同一个例子，加上-O1选项：

Shell>: gcc –O1 –S –o test.s test.c

分析main函数，GCC分析发现栈帧只需要8个字节，于是进入main之后第一条指令就分配了空间(第23行)：

Subq $8, %rsp

然后在返回上一栈帧之前，回收了空间（第34行）：

Addq $8, %rsp

等等，为啥main函数中并没有对分配空间的引用呢？这是因为GCC考虑到栈帧对齐需求，故意做出的安排。再来看foo函数，这里你可以看到%rsp是如何引用栈空间的。等等，不是需要先预分配空间吗？这里为啥没有预分配，直接引用栈顶之外的地址？这就要涉及x86-64引入的牛逼特性了。

访问栈顶之外

通过readelf查看可执行程序的header信息：

红色区域部分指出了x86-64遵循ABI规则的版本，它定义了一些规范，遵循ABI的具体实现应该满足这些规范，其中，他就规定了程序可以使用栈顶之外128字节的地址。

这说起来很简单，具体实现可有大学问，这超出了本文的范围，具体大家参考虚拟存储器。别的不提，接着上例，我们发现GCC利用了这个特性，干脆就不给foo函数分配栈帧空间了，而是直接使用栈帧之外的空间。@恨少说这就相当于内联函数呗，我要说：这就是编译优化的力量。

寄存器保存惯例

过程调用中，调用者栈帧需要寄存器暂存数据，被调用者栈帧也需要寄存器暂存数据。如果调用者使用了%rbx，那被调用者就需要在使用之前把%rbx保存起来，然后在返回调用者栈帧之前，恢复%rbx。遵循该使用规则的寄存器就是被调用者保存寄存器，对于调用者来说，%rbx就是非易失的。

反过来，调用者使用%r10存储局部变量，为了能在子函数调用后还能使用%r10，调用者把%r10先保存起来，然后在子函数返回之后，再恢复%r10。遵循该使用规则的寄存器就是调用者保存寄存器，对于调用者来说，%r10就是易失的，举个例子：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

void sfact_helper ( long int x, long int * resultp)

{

if (x<=1)

*resultp = 1;

else {

long int nresult;

sfact_helper(x-1,&nresult);

*resultp = x * nresult;

}

} /* ----- end of function foo ----- */

long int

sfact ( long int x )

{

long int result;

sfact_helper(x, &result);

return result;

} /* ----- end of function sfact ----- */

int

main ( int argc, char *argv[] )

{

int sum = sfact(10);

fprintf(stdout, "sum=%d\n", sum);

return EXIT_SUCCESS;

} /* ---------- end of function main ---------- */

命令行中调用gcc，生成汇编语言：

Shell>: gcc –O1 –S –o test2.s test2.c

在函数sfact_helper中，用到了寄存器%rbx和%rbp，在覆盖之前，GCC选择了先保存他们的值，代码6~9说明该行为。在函数返回之前，GCC依次恢复了他们，就如代码27-28展示的那样。

看这段代码你可能会困惑？为什么%rbx在函数进入的时候，指向的是-16（%rsp），而在退出的时候，变成了32(%rsp) 。上文不是介绍过一个重要的特性吗？访问栈帧之外的空间，这是GCC不用先分配空间再使用；而是先使用栈空间，然后在适当的时机分配。第11行代码展示了空间分配，之后栈指针发生变化，所以同一个地址的引用偏移也相应做出调整。

X86时代，参数传递是通过入栈实现的，相对CPU来说，存储器访问太慢；这样函数调用的效率就不高，在x86-64时代，寄存器数量多了，GCC就可以利用多达6个寄存器来存储参数，多于6个的参数，依然还是通过入栈实现。了解这些对我们写代码很有帮助，起码有两点启示：

尽量使用6个以下的参数列表，不要让GCC为难啊。
传递大对象，尽量使用指针或者引用，鉴于寄存器只有64位，而且只能存储整形数值，寄存器存不下大对象

让我们具体看看参数是如何传递的：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int foo ( int arg1, int arg2, int arg3, int arg4, int arg5, int arg6, int arg7 )

{

int array[] = {100,200,300,400,500,600,700};

int sum = array[arg1]+ array[arg7];

return sum;

} /* ----- end of function foo ----- */

int

main ( int argc, char *argv[] )

{

int i = 1;

int j = foo(0,1,2, 3, 4, 5,6);

fprintf(stdout, "i=%d,j=%d\n", i, j);

return EXIT_SUCCESS;

} /* ---------- end of function main ---------- */

命令行中调用gcc，生成汇编语言：

Shell>: gcc –O1 –S –o test1.s test1.c

Main函数中，代码31~37准备函数foo的参数，从参数7开始，存储在栈上，%rsp指向的位置；参数6存储在寄存器%r9d；参数5存储在寄存器%r8d；参数4对应于%ecx；参数3对应于%edx；参数2对应于%esi；参数1对应于%edi。

Foo函数中，代码14-15，分别取出参数7和参数1，参与运算。这里数组引用，用到了最经典的寻址方式，-40（%rsp，%rdi，4）=%rsp + %rdi *4 + (-40);其中%rsp用作数组基地址；%rdi用作了数组的下标；数字4表示sizeof（int）=4。

结构体传参

应@桂南要求，再加一节，相信大家也很想知道结构体是如何存储，如何引用的，如果作为参数，会如何传递，如果作为返回值，又会如何返回。

看下面的例子：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

struct demo_s {

char var8;

int var32;

long var64;

};

struct demo_s foo (struct demo_s d)

{

d.var8=8;

d.var32=32;

d.var64=64;

return d;

} /* ----- end of function foo ----- */

int

main ( int argc, char *argv[] )

{

struct demo_s d, result;

result = foo (d);

fprintf(stdout, "demo: %d, %d, %ld\n", result.var8,result.var32, result.var64);

return EXIT_SUCCESS;

} /* ---------- end of function main ---------- */

我们缺省编译选项，加了优化编译的选项可以留给大家思考。

Shell>gcc -S -o test.s test.c

上面的代码加了一些注释，方便大家理解，
问题1：结构体如何传递？它被分成了两个部分，var8和var32合并成8个字节的大小，放在寄存器%rdi中，var64放在寄存器的%rsi中。也就是结构体分解了。
问题2：结构体如何存储? 注意看foo函数的第15~17行注意到，结构体的引用变成了一个偏移量访问。这和数组很像，只不过他的元素大小可变。

问题3：结构体如何返回，原本%rax充当了返回值的角色，现在添加了返回值2：%rdx。同样，GCC用两个寄存器来表示结构体。
恩，即使在缺省情况下，GCC依然是想尽办法使用寄存器。随着结构变的越来越大，寄存器不够用了，那就只能使用栈了。

总结

了解寄存器和栈帧的关系，对于gdb调试很有帮助；过些日子，一定找个合适的例子和大家分享一下。

参考

1. 深入理解计算机体系结构
2. x86系列汇编语言程序设计

来源： https://www.cnblogs.com/dongzhiquan/p/7828667.html

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汇编寄存器汇总

(2011-04-30 23:33:35)

转载▼

标签：

it

分类：汇编

数据寄存器：

1寄存器AX和AL通常称为累加器(Accumulator)，用累加器进行的操作可能需要更少时间。累加器可用于乘、除、输入/输出等操作，它们的使用频率很高；

2寄存器BX称为基地址寄存器(Base Register)。它可作为存储器指针来使用；

3寄存器CX称为计数寄存器(Count Register)。在循环和字符串操作时，要用它来控制循环次数；在位操作中，当移多位时，要用CL来指明移位的位数；

4寄存器DX称为数据寄存器(Data Register)。在进行乘、除运算时，它可作为默认的操作数参与运算，也可用于存放I/O的端口地址；

变址寄存器

寄存器ESI、EDI、SI和DI称为变址寄存器(Index Register)，它们主要用于存放存储单元在段内的偏移量，用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式(在第3章有详细介绍)，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便

指针寄存器

寄存器EBP、ESP、BP和SP称为指针寄存器(Pointer Register)，主要用于存放堆栈内存储单元的偏移量，用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式(在第3章有详细介绍)，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。指针寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

它们主要用于访问堆栈内的存储单元，并且规定：
	BP为基指针(Base Pointer)寄存器，用它可直接存取堆栈中的数据；
	SP为堆栈指针(Stack Pointer)寄存器，用它只可访问栈顶

段寄存器

段寄存器是根据内存分段的管理模式而设置的。内存单元的物理地址由段寄存器的值和一个偏移量组合而成的，这样可用两个较少位数的值组合成一个可访问较大物理空间的内存地址

CS——代码段寄存器(Code Segment Register)，其值为代码段的段值

DS——数据段寄存器(Data Segment Register)，其值为数据段的段值；

ES——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值

SS——堆栈段寄存器(Stack Segment Register)，其值为堆栈段的段值；

FS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值

GS——附加段寄存器(Extra Segment Register)，其值为附加数据段的段值

在16位CPU系统中，它只有4个段寄存器，所以，程序在任何时刻至多有4个正在使用的段可直接访问；在32位微机系统中，它有6个段寄存器，所以，在此环境下开发的程序最多可同时访问6个段

指令指针寄存器

指令指针EIP、IP(Instruction Pointer)是存放下次将要执行的指令在代码段的偏移量。在具有预取指令功能的系统中，下次要执行的指令通常已被预取到指令队列中，除非发生转移情况。所以，在理解它们的功能时，不考虑存在指令队列的情况。

16位标志寄存器——共用了9个标志位，它们主要用来反映CPU的状态和运算结果的特征。

①进位标志CF(Carry Flag) 进位标志CF主要用来反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生了一个进位或借位，那么，其值为1，否则其值为0。

②奇偶标志PF(Parity Flag)奇偶标志PF用于反映运算结果中“1”的个数的奇偶性。如果“1”的个数为偶数，则PF的值为1，否则其值为0

③辅助进位标志AF(Auxiliary Carry Flag) 在发生下列情况时，辅助进位标志AF的值被置为1，否则其值为0：

(1)、在字操作时，发生低字节向高字节进位或借位时；

(2)、在字节操作时，发生低4位向高4位进位或借位时。

④零标志ZF(Zero Flag) 零标志ZF用来反映运算结果是否为0。如果运算结果为0，则其值为1，否则其值为0。在判断运算结果是否为0时，可使用此标志位

⑤符号标志SF(Sign Flag) 符号标志SF用来反映运算结果的符号位，它与运算结果的最高位相同。在微机系统中，有符号数采用补码表示法，所以，SF也就反映运算结果的正负号。运算结果为正数时，SF的值为0，否则其值为1

⑥溢出标志OF(Overflow Flag) 溢出标志OF用于反映有符号数加减运算所得结果是否溢出。如果运算结果超过当前运算位数所能表示的范围，则称为溢出，OF的值被置为1，否则，OF的值被清为0（“溢出”和“进位”是两个不同含义的概念）

⑦中断允许标志IF(Interrupt-enable Flag) 中断允许标志IF是用来决定CPU是否响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求。但不管该标志为何值，CPU都必须响应CPU外部的不可屏蔽中断所发出的中断请求，以及CPU内部产生的中断请求。具体规定如下

(1)、当IF=1时，CPU可以响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求；

(2)、当IF=0时，CPU不响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求

⑧追踪标志TF(Trap Flag) 当追踪标志TF被置为1时，CPU进入单步执行方式，即每执行一条指令，产生一个单步中断请求。这种方式主要用于程序的调试。

⑨方向标志DF(Direction Flag) 方向标志DF用来决定在串操作指令执行时有关指针寄存器发生调整的方向。具体规定在第5.2.11节——字符串操作指令——中给出。在微机的指令系统中，还提供了专门的指令来改变标志位DF的值

上面9个标志位可分为二组：运算结果标志位(有背景色的标志位)和状态控制标志位。前者受算术运算和逻辑运算结果的影响，后者受一些控制指令执行的影响

16位微机的内存管理模式

Intel公司的80X86系列的CPU基本上采用内存分段的管理模式。它把内存和程序分成若干个段，每个段的起点用一个段寄存器来记忆，所以，学习微机汇编语言，必须要清楚地理解存储器的分段含义、存储单元的逻辑地址和其物理地址之间的转换关系

我们知道：计算机的内存单元是以“字节”为最小单位进行线性编址的。为了标识每个存储单元，就给每个存储单元规定一个编号，此编号就是该存储单元的物理地址

存储单元的物理地址是一个无符号的二进制数。但为了书写的简化，物理地址通常用十六进制来表示。16位CPU内部有20根地址线，其编码区间为：00000H~0FFFFFH，所以，它可直接访问的物理空间为1M(220)字节。而16位CPU内部存放存储单元偏移量的寄存器（如：IP、SP、BP、SI、DI和BX等）都是16位，它们的编码范围仅为：00000H~0FFFFH。这样，如果用16位寄存器来访问内存的话，则只能访问内存的最低端的64K，其它的内存将无法访问。为了能用16位寄存器来有效地访问1M的存储空间，16位CPU采用了内存分段的管理模式，并引用段寄存器的概念。

16位微机把内存空间划分成若干个逻辑段，每个逻辑段的要求如下：

逻辑段的起始地址(通常简称为：段地址)必须是16的倍数，即最低4位二进制必须全为0；

逻辑段的最大容量为64K，这由16位寄存器的寻址空间所决定；

按上述规定，1M内存最多可分成64K个段，即65536个段(段之间相互重叠)，至少可分成16个相互不重叠的段。

物理地址的形成方式

由于规定段地址必须是16的倍数，所以，其值的一般形式为：XXXX0H，即：前16位二进制位是变化的，后四位是固定为0。鉴于段地址的这种特性，我们可以仅保存其前16位二进制来达到保存整个段地址，其后四位可通过“左移补0”来获得；

在确定了某个存储单元所属的内存段后，我们也只知道其所处内存位置的范围，还不能确定其具体位置。要想确定内存单元的具体位置，还必须知道该单元离该段地址有多远。我们通常把存储单元的实际地址与其所在段的段地址之间的距离称为段内偏移，也可称为有效地址(EA—Effective Address)或偏移量(Offset)等。有了段地址和偏移量，就能唯一地确定某一内存单元在存储器内的具体位置。

由此可见，存储单元的逻辑地址分为两部分：段地址和偏移量。由逻辑地址得到其物理地址(PA—Physical Address)的计算方法如下：

物理地址PA=段地址×16 + 偏移量

对物理地址来说，当段地址变化时，只要对其偏移量进行相应的调整就可对应同一个物理地址，所以，同一个物理地址可有多个逻辑地址。在汇编语言程序中，存储单元通常不是用其物理地址标识的，而是用其逻辑地址标识的。逻辑地址的段地址由段寄存器给出，偏移量可由寄存器(SI、DI、BP和BX等)给出，也可用符号地址或具体的数值给出。

段寄存器的引用

段寄存器CS指向存放程序的内存段，IP是用来存放下条待执行的指令在该段的偏移量，把它们合在一起可在该内存段内取到下次要执行的指令。

段寄存器SS指向用于堆栈的内存段，SP是用来指向该堆栈的栈顶，把它们合在一起可访问栈顶单元。另外，当偏移量用到了指针寄存器BP，则其缺省的段寄存器也是SS，并且用BP可访问整个堆栈，不仅仅是只访问栈顶。

段寄存器DS指向数据段，ES指向附加段，在存取操作数时，二者之一和一个偏移量合并就可得到存储单元的物理地址。该偏移量可以是具体数值、符号地址和指针寄存器的值等之一，具体情况将由指令的寻址方式来决定。

通常，缺省的数据段寄存器是DS，只有一个例外，即：在进行串操作时，其目的地址的段寄存器规定为ES

访问存储器方式	缺省的段寄存器	可选用的段寄存器	偏移量
取指令	CS		IP
堆栈操作	SS		SP
一般取操作数	DS	CS、ES、SS	有效地址
串操作	源操作数	DS	CS、ES、SS	SI
目标操作数	ES		DI
使用指针寄存器BP	SS	CS、DS、ES	有效地址