通过 linux x86-64 函数调用保留哪些寄存器

Question

我相信我了解linux x86-64 ABI如何使用寄存器和堆栈将参数传递给函数（参见前面的ABI讨论）。我感到困惑的是，在函数调用中是否/哪些寄存器应该保留。也就是说，哪些寄存器被保证不被破坏？

Answer 1

ABI指定了允许符合标准的软件的期望。它主要是为编译器，链接器和其他语言处理软件的作者编写的。这些作者希望其编译器生成的代码能够与由相同（或不同）编译器编译的代码一起正常工作。他们都必须同意一组规则：函数的形式参数如何从调用方传递到被调用方，函数返回值如何从被调用方传递回调用方，哪些寄存器在调用边界上保留/暂存/未定义，等等。

例如，一条规则规定，为函数生成的程序集代码必须在更改值之前保存保留的寄存器的值，并且代码必须在返回给其调用方之前还原保存的值。对于暂存寄存器，不需要生成的代码来保存和恢复寄存器值;如果需要，它可以这样做，但是符合标准的软件不允许依赖于此行为（如果这样做，它就不是符合标准的软件）。

如果您正在编写汇编代码，您将负责遵守这些规则（您正在扮演编译器的角色）。也就是说，如果您的代码更改了被调用方保留的寄存器，您将负责插入保存和恢复原始寄存器值的指令。如果程序集代码调用外部函数，则代码必须以符合标准的方式传递参数，这可能取决于以下事实：当被调用方返回时，保留的寄存器值实际上是保留的。

规则定义了符合标准的软件如何相处。但是，编写（或生成）不遵守这些规则的代码是完全合法的！编译器一直在这样做，因为他们知道在某些情况下不需要遵守规则。

例如，考虑一个名为foo的C函数，其声明如下，并且永远不会占用其地址：

static foo(int x);

在编译时，编译器100%确定这个函数只能被它当前编译的文件中的其他代码调用。函数foo永远不能被其他任何东西调用，因为它是静态的定义。因为编译器在编译时知道foo的所有调用者，所以编译器可以自由地使用它想要的任何调用序列（直到并包括根本不调用，也就是说，将foo的代码内联到foo的调用者中。

作为汇编代码的作者，您也可以这样做。也就是说，您可以在两个或多个例程之间实现一个“私有协议”，只要该协议不干扰或违反符合标准的软件的期望。

Answer 2

实验方法:反汇编GCC代码

主要是为了好玩，但也作为快速验证您理解ABI的权利。

让我们尝试使用内联程序集删除所有寄存器，以强制 GCC 保存并恢复它们：

主网站

#include <inttypes.h>

uint64_t inc(uint64_t i) {
    __asm__ __volatile__(
        ""
        : "+m" (i)
        :
        : "rax",
          "rbx",
          "rcx",
          "rdx",
          "rsi",
          "rdi",
          "rbp",
          "rsp",
          "r8",
          "r9",
          "r10",
          "r11",
          "r12",
          "r13",
          "r14",
          "r15",
          "ymm0",
          "ymm1",
          "ymm2",
          "ymm3",
          "ymm4",
          "ymm5",
          "ymm6",
          "ymm7",
          "ymm8",
          "ymm9",
          "ymm10",
          "ymm11",
          "ymm12",
          "ymm13",
          "ymm14",
          "ymm15"
    );
    return i + 1;
}

int main(int argc, char **argv) {
    (void)argv;
    return inc(argc);
}

GitHub上游。

编译和反汇编:

 gcc -std=gnu99 -O3 -ggdb3 -Wall -Wextra -pedantic -o main.out main.c
 objdump -d main.out

拆卸包含:

00000000000011a0 <inc>:
    11a0:       55                      push   %rbp
    11a1:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
    11a4:       41 57                   push   %r15
    11a6:       41 56                   push   %r14
    11a8:       41 55                   push   %r13
    11aa:       41 54                   push   %r12
    11ac:       53                      push   %rbx
    11ad:       48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
    11b1:       48 89 7d d0             mov    %rdi,-0x30(%rbp)
    11b5:       48 8b 45 d0             mov    -0x30(%rbp),%rax
    11b9:       48 8d 65 d8             lea    -0x28(%rbp),%rsp
    11bd:       5b                      pop    %rbx
    11be:       41 5c                   pop    %r12
    11c0:       48 83 c0 01             add    $0x1,%rax
    11c4:       41 5d                   pop    %r13
    11c6:       41 5e                   pop    %r14
    11c8:       41 5f                   pop    %r15
    11ca:       5d                      pop    %rbp
    11cb:       c3                      retq   
    11cc:       0f 1f 40 00             nopl   0x0(%rax)

因此，我们清楚地看到以下内容被推送和弹出：

rbx
r12
r13
r14
r15
rbp

规范中唯一缺少的是< code>rsp，但是我们当然希望栈被恢复。仔细阅读组件可以确认它在这种情况下得到维护:

• sub $0x8， %rsp： 在堆栈上分配 8 个字节以将 %rdi 保存在 %rdi， -0x30（%rbp），这是针对内联程序集 m 约束完成的
• lea -0x28（%rbp）， %rsp 将 %rsp 恢复到 sub 之前，即 mov %rsp 之后有 5 个 pops， %rbp
• 有6个推送和6个相应的弹出
• 没有其他说明触摸 %rsp

在Ubuntu 18.10、GCC 8.2.0中测试。

Answer 3

下面是文档中完整的寄存器及其用法表[PDF链接]:

r12、r13、r14、r15、、rbx、rsprbp是被调用方保存的寄存器-它们在“跨函数调用保存”列中有“是”。