x86_64汇编系列：

栈一般从高地址往低地址生长，每个函数都在栈空间中对应一个栈帧。关于栈帧有两个重要的指针——栈基址指针BP和栈顶指针SP。其中，除了在函数的开头和结尾（后面会讲到），BP指针一般是固定不变的，通常以它为基准来寻址参数和局部变量，例如将第一个参数放入栈中的汇编代码可以是movq %rdi, -8(%rbp)。

和栈相关的两个指令是push和pop。在x86_64架构的计算机上，push operand指令的作用是：

pop指令的作用正好和push指令相反：

注意：虽然在x86_64机器上也可以push/pop长度小于8字节的操作数，但是一般并不推荐这样做。

在汇编语言中，我们可以使用call命令来调用一个函数，例如：

其中，add是一个标签，它表示add函数的起始地址（即add函数第一条指令的地址）。上面的指令会调用add函数，具体来说，该指令完成了以下两步操作：

所以说，call add就相当于：

该指令负责从一个函数返回，完成的功能如下：

在详细介绍基于栈的函数调用细节之前，先了解一下调用约定。

函数的调用过程中有两个参与者，一个是调用方 caller，另一个是被调用方 callee。

调用约定规定了 caller 和 callee 之间如何相互配合来实现函数调用，具体包括的内容如下：

那么，为什么需要调用约定呢？

举个例子，如果我们用汇编语言编写代码没有一个统一的规范来遵守的话。那么A习惯将参数放在栈中，B习惯将参数放在寄存器中，C 习惯 …，每个人编写的代码都按照自己的想法来。这样，当 A 尝试调用其他人的代码时，就不得不遵循其他人的习惯，比如说调用B的，那么A需要将参数放入B规定好的寄存器中；调用C的，又是另一个样子…

调用约定就是为了解决上述问题，它对函数调用的细节作出了规定，这样的话，每个人都遵守一个约定，当我们想调用别人编写的代码时，就不需要做啥修改了。

在调用约定的规定中：

(1) 有些寄存器是由caller保存的 (caller-saved register)，这类寄存器也叫易失性寄存器(volatile register)。

之所以叫易失性寄存器，是因为加入caller调用了其他函数，那么这些寄存器的值是会被改变的。但是 callee 并不负责这些寄存器的保存和恢复，需要 caller 对这些寄存器进行保存，以在函数调用返回之后能恢复这些寄存器的值。

(2) 其他的寄存器就叫做 callee保存的寄存器 (callee-saved register), 也叫做非易失性寄存器 (non-volatile register)。

之所以叫非易失性寄存器，是因为callee可以对这些寄存器的值进行保存和恢复，确保callee调用前后这些寄存器的值不变，因此对于caller来说，它不需要担心这些寄存器，不需要进行保存和恢复。

注：易失和非易失是对caller而言的

根据不同的计算机架构和操作系统，产生了不同的调用规定，常见的调用规定如下：

其中，System V AMD64调用约定是64位Linux系统上广泛使用的一种调用约定，我们在Linux系统上用gcc编译的代码默认都是遵循这种调用约定，下文会对它进行详述。

System V AMD64调用约定其实是System V AMD64 ABI文档的一部分，该文档的地址如下：

https://software.intel.com/sites/default/files/article/402129/mpx-linux64-abi.pdf

下面对System V AMD64调用约定的部分要点作出总结。

(1) caller-saved寄存器和calle-saved寄存器：

参考上述文档第21页的表格，callee-saved寄存器包括%rbx, %rsp, %rbp, %r12-r14, %r15, x87 CW，其中%rsp和%rbp是重点；余下的寄存器则是caller-saved寄存器。

(2) 如何传递参数？

还是参考上述文档第21页的表格，可以看到System V AMD64调用约定规定把函数的前6个整型参数 通过寄存器传递，第1到第6个整型参数分别存放在%rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9，第7个及以后的整型参数放在栈中，按从右到左的顺序。

对于浮点型参数，System V AMD64调用约定规定把函数的前8个浮点型参数依次放在%xmm0-xmm7寄存器中。第9个及以后的浮点型参数放在栈中，按从右到左的顺序。

caller在调用callee之前，会把参数放入上述对应的寄存器（或是栈）中，然后callee按照上述规定从对应的寄存器中取值即可。

(3) 如何传递返回值？

还是参考上述文档第21页的表格，System V AMD64调用约定规定，对于整型返回值，会放在%rax中；对于浮点型返回值，会放在%xmm0中。

(4) 栈的对齐问题

其实，栈的对齐问题来源于上述文档中的一段话：

The end of the input argument area shall be aligned on a 16 (32 or 64, if __m256 or __m512 is passed on stack) byte boundary. In other words, the value (%rsp + 8) is always a multiple of 16 (32 or 64) when control is transferred to the function entry point. The stack pointer, %rsp, always points to the end of the latest allocated stack frame.

System V AMD64调用约定要求栈必须按16字节对齐，也就是说，在调用call指令之前(the end of the input argument area)，%rsp指针必须是16的倍数（对应16进制是最后1位是0）。按16字节对齐的原因是，现代x86_64计算机引入了SSE和AVX指令，这些指令支持SIMD，能极大提升处理速度。但是这些指令要求必须从16字节的整数倍的地址处取数据，为了顾及这些指令，才有了上述对齐要求。

上面这段文档第二句为什么又说是%rsp + 8必须是16的倍数呢？实际上，它说的%rsp是执行完call指令之后的%rsp，执行call指令会导致栈中压入一个8个字节的返回地址。原来%rsp是按16字节对齐的，压入8字节地址后，显然是%rsp + 8才是16的倍数。

此外，在该调用约定下，函数的起始地址始终是按8字节对齐的（misaligned by 8 bytes），即起始地址是8的倍数。（至于为什么函数起始地址是8字节对齐没大看懂）

参考：https://stackoverflow.com/a/56066628/6570986

总结一下，函数起始地址按8字节对齐 和 栈按16字节对齐 这两点是我们在编写汇编代码时需要注意的，如果不注意，就会编写出错误的代码。

更多关于栈的对齐，可以参考：

(5) 变长参数问题

根据上述文档第22页中的内容：

For calls that may call functions that use varargs or stdargs (prototype-less calls or calls to functions containing ellipsis (. . . ) in the declaration) %al16 is used as hidden argument to specify the number of vector registers used. The contents of %al do not need to match exactly the number of registers, but must be an upper bound on the number of vector registers used and is in the range 0–8 inclusive.

如果在汇编代码中，如果调用了变长参数的函数，例如printf，那么在调用之前需要将本次函数调用使用的向量寄存器(vector register)的数量的上限存储%al，%al中存放的是上限，取值范围0-8，不一定是真正使用的向量寄存器的数量。虽然上述文档是这样规定的，但是编译器可以足够只能，使得编译器生成的应该放入%al的值就是实际用到的向量寄存器的数量。

向量寄存器包括xmm, ymm, zmm等，所以说处理浮点数会用到向量寄存器。参考https://godbolt.org/z/G1r6Pc 中的代码示例，我们调用printf时传入了一个float变量，用到了%xmm0寄存器，因此放入%al的值是1，对应movl $1, %eax。

限于篇幅原因，关于System V AMD64调用约定的实际的例子，以及如何在该调用约定下编写汇编代码请参考本系列的后续博客。

[1] Guide to x86_64