编译器是否通常将寄存器用于其“预期”用途？

Question

我一直在学习汇编，并且我读到四个主要的x86通用寄存器（eax，ebx，ecx和edx）都有一个预期或建议的目的。例如，eax 是累加器寄存器，ecx 用作循环的计数器，依此类推。大多数编译器是否尝试将寄存器用于建议的目的，或者他们是否忽略了寄存器“应该”用于什么，而只是将值分配给下一个可用的寄存器？

此外，在查看x64寄存器时，我注意到额外添加了8个通用寄存器，如果忽略rbp、rsp、rsi和rdi（因为它们具有非通用用途），则gp寄存器的总数将达到12个，如果包括它们，则为16个。在普通用户程序（即浏览器、文字处理器等，而不是需要大量寄存器的密码程序）中，在任何给定时间，通常使用多少寄存器？对于像Firefox这样的程序来说，一次使用所有12/16个普通寄存器是很常见的，还是因为没有足够的变量来填充它们，所以它们只使用一个子集？我将通过分解二进制文件来了解这一点，以了解一般情况，但我希望有比我更有知识的人提供答案。

此外，如果半通用寄存器(rsi、rdi、rsp和rbp)目前没有用于非通用应用，编译器通常会将它们用于通用用途吗？我很好奇，因为我看到这些寄存器被列为“通用”，但即使是我也能想到这些寄存器不能用于一般存储的实例(例如，您不会希望将变量存储到rbp和rsp，然后将值压入堆栈！).那么编译器会尽可能地利用这些寄存器吗？x86和x64编译之间有区别吗，因为x64处理器有更多可用的寄存器，所以没有必要将变量填充到任何可用的寄存器中？

Answer 1

最初(如在16位8086中)，寄存器的功能比后来的x86处理器更加有限。只有BX、BP、SI和DI可用于寻址存储器，更常见的是使用CISC式的指令，用一条指令完成许多操作。

例如，LOOP 指令递减 CX，将其与零进行比较，如果 CX 仍为正，则跳转。如果你看一下为当前系统生成的代码，你不太可能看到这一点，但DEC和JNE。后者需要更多的代码空间，但允许您使用任何寄存器。

80386 和 32 位模式解除了寻址方面的大部分限制，允许将所有寄存器用作指针。此外，更复杂的指令已经过时了，我认为这与处理器本身的无序执行和其他优化技术的增加有关。

因此，在大多数情况下，几乎没有理由区别对待寄存器。当然，ESP/RSP 仍然是堆栈指针。

Answer 2

所有GP寄存器都是通用的。
只有当执行特定的（通常是遗留的）指令时，它们才具有特殊意义。

例如，四元组＜code＞rsi，＜code＞rdi，＜code＞rbp，＜code＞rsp，只有后者有一个特殊的用途，这是由于＜code＞call＜/code>、＜code＜ret＜/code>、＜code＞push＜/code＞等指令造成的。＜br＞如果不使用它们，即使是隐式使用（不太可能出现的情况），也可以将其用作累加器。

这个原则是通用的，编译器会利用它。

考虑这个人为的例子^[1]：

void maxArray(int* x, int* y, int*z, short* w) {
    for (int i = 0; i < 65536; i++)
    {
        int a = y[i]*z[i];
        int b = z[i]*z[i];
        int c = y[i]*x[i]-w[i];
        int d = w[i]+x[i]-y[i];
        int e = y[i+1]*w[i+2];
        int f = w[i]*w[i];

        x[i] = a*a-b+d; 
        y[i] = b-c*d/f+e;
        z[i] = (e+f)*2-4*a*d;
        w[i] = a*b-c*d+e*f;
    }
}

它由GCC编译到此列表中

maxArray(int*, int*, int*, short*):
        push    r13
        push    r12
        xor     r8d, r8d
        push    rbp
        push    rbx
        mov     r12, rdx
.L2:
        mov     edx, DWORD PTR [rsi+r8*2]    
        mov     ebp, DWORD PTR [r12+r8*2]
        movsx   r11d, WORD PTR [rcx+r8]
        mov     eax, DWORD PTR [rdi+r8*2]
        movsx   ebx, WORD PTR [rcx+4+r8]
        mov     r9d, edx
        mov     r13d, edx
        imul    r9d, ebp
        imul    r13d, eax
        lea     r10d, [rax+r11]
        imul    ebx, DWORD PTR [rsi+4+r8*2]
        mov     eax, r9d
        sub     r10d, edx
        imul    ebp, ebp
        sub     r13d, r11d
        imul    eax, r9d
        imul    r11d, r11d
        sub     eax, ebp
        add     eax, r10d
        mov     DWORD PTR [rdi+r8*2], eax
        mov     eax, r13d
        imul    eax, r10d
        cdq
        idiv    r11d
        mov     edx, ebp
        sub     edx, eax
        mov     eax, edx
        lea     edx, [0+r9*4]
        add     eax, ebx
        mov     DWORD PTR [rsi+r8*2], eax
        lea     eax, [rbx+r11]
        imul    r9d, ebp
        imul    r11d, ebx
        add     eax, eax
        imul    edx, r10d
        add     r9d, r11d
        imul    r10d, r13d
        sub     eax, edx
        sub     r9d, r10d
        mov     DWORD PTR [r12+r8*2], eax
        mov     WORD PTR [rcx+r8], r9w
        add     r8, 2
        cmp     r8, 131072
        jne     .L2
        pop     rbx
        pop     rbp
        pop     r12
        pop     r13
        ret

你可以看到大部分的GP寄存器都用上了(我没数过)，包括< code>rbp、< code>rsi和< code>rdi。< br >寄存器的使用都不局限于它们的规范形式。

注意：在此示例中，rsi 和 rdi 用于加载和读取（两者都针对每个寄存器）数组，这是巧合。
这些寄存器用于传递前两个整数/指针参数。

int sum(int a, int b, int c, int d)
{
    return a+b+c+d;
}

sum(int, int, int, int):
        lea     eax, [rdi+rsi]
        add     eax, edx
        add     eax, ecx
        ret