寄存器分配 --- 如何利用和溢出调用者保存的寄存器

Question

我了解到，如果被调用者使用了任何caller saved registers (rax rdx rcx rsi rdi r8 r9 r10 r11)，那么它必须在调用者的call 指令之前保存并在调用者之后恢复。

通过下面的例子，

int read();
void print(int i);

int main()
{
    int a = read();
    int b = read();
    int c = read();
    int d = read();
    int e = read();
    int f = read();
    int g = read();
    print(a);
    print(b);
    print(c);
    print(d);
    print(e);
    print(f);
    print(g);
}

注意

1. 变量a - g 应该使用所有callee saved registers (rbp rsp rbx r12 r13 r14 r15)。而且我们不能同时使用rbp 或rsp，因为它们都必须用于寻址堆栈内存。

2. read 和 print 来自某个外部编译单元。因此，当我们编译当前编译单元时，特别是在为main 函数分配寄存器期间，我们并不真正了解它们的调用方保存寄存器的使用情况。

在 godbolt 和 -O3 中，它编译为以下内容

main:
  pushq %r15
  pushq %r14
  pushq %r13
  pushq %r12
  pushq %rbp
  pushq %rbx
  subq $24, %rsp # spill here
  call read()
  movl %eax, 12(%rsp) # spill here
  call read()
  movl %eax, %ebx
  call read()
  movl %eax, %r15d
  call read()
  movl %eax, %r14d
  call read()
  movl %eax, %r13d
  call read()
  movl %eax, %r12d
  call read()
  movl 12(%rsp), %edi
  movl %eax, %ebp
  call print(int)
  movl %ebx, %edi
  call print(int)
  movl %r15d, %edi
  call print(int)
  movl %r14d, %edi
  call print(int)
  movl %r13d, %edi
  call print(int)
  movl %r12d, %edi
  call print(int)
  movl %ebp, %edi
  call print(int)
  addq $24, %rsp
  xorl %eax, %eax
  popq %rbx
  popq %rbp
  popq %r12
  popq %r13
  popq %r14
  popq %r15
  ret

注意

1. 变量a 溢出到12(%rsp)。

2. 我们不需要泄漏任何caller saved registers，因为它们根本没有被使用，结果证明在这里更有效。

我的问题

1. 看起来，如果我们不使用 caller saved registers，我们真的不需要处理它们。因此，我们什么时候应该使用caller saved registers？

2. 对于像read和print这样的被调用者，因为我们不知道他们的寄存器使用情况，我们应该如何为caller saved registers做溢出？

谢谢

Answer 1

看起来令人困惑且不直观的“调用者保存/被调用者保存”术语误导您认为每个寄存器都应该始终由某个地方的某个人保存。请参阅What are callee and caller saved registers? - “呼叫保留”与“呼叫破坏”在易于记忆和作为心理模型方面更有用。让值被销毁是正常的，就像函数 arg 一样。

如果我们不使用调用者保存的寄存器，看起来我们真的不需要处理溢出调用者保存的寄存器。

请注意，您的函数确实使用了几个调用破坏（“调用者保存”）寄存器：它使用 RDI 将 arg 传递给 print(int)，并将 RAX 归零作为 main 的返回值。

如果它在调用破坏寄存器中有一个值需要在函数调用中继续存在，GCC 选择mov 将该值保存到调用保留寄存器。例如read()返回时，其返回值在EAX中，下次调用时会销毁。因此它使用mov %eax, %ebp 或其他任何方式将其保存到保留调用的寄存器中，或者将一个溢出到12(%rsp)。

（请注意，GCC 使用 push/pop 来保存/恢复它使用的调用保留寄存器的调用者值。）

GCC 的默认代码生成策略是保存/恢复调用保留寄存器以在调用之间保存值，而不是溢出到此函数内部的内存中。对于不那么琐碎的情况，这通常是一件好事，尤其是对于循环内的调用。有关详细信息，请参阅Why do compilers insist on using a callee-saved register here?。

我们不能同时使用 rbp 或 rsp，因为它们都必须用于寻址堆栈内存。

同样错误：使用-fomit-frame-pointer（在大多数优化级别上），RBP 只是另一个保留调用的寄存器。您的函数使用它来保存 read 返回值。 （EBP 是 RBP 的低 32 位）。

Answer 2

我了解到，如果调用者保存的任何寄存器 (rax rdx rcx rsi rdi r8 r9 r10 r11) 被调用者使用，那么它必须在调用者的调用指令之前保存并在调用指令之后恢复。

应该是

我了解到，如果调用者使用了调用者保存的任何寄存器 (rax rdx rcx rsi rdi r8 r9 r10 r11)，那么它必须在调用者的调用指令之前保存并在调用指令之后恢复。

调用者保存寄存器是那些可能被任何调用函数破坏的寄存器。您不确定是否有任何给定的被调用者使用它们，因此您必须假设最坏的情况。但是，如果调用者正在使用它们，调用者只需要保存它们。如果你不是，你不在乎他们可能会被破坏。