arm64程序調用規則

前言

這篇主要介紹arm64程序調用規則，詳細分析了程序調用過程當中，參數是如何傳遞的。Android、iOS、Linux等基本遵循這些規則，可是各個操做系統平臺也有小部分本身特定的規則。下一篇，我將介紹iOS平臺的特定規則。

術語介紹

術語	意義
A32	在ARMv7架構中，使用32位固定長度指令的ARM指令集。
A64	AArch64可用時的指令集。
AAPCS64	AArch64程序調用標準。（PCS：Procedure Call Standard）
AArch32	ARMv8中的32位通用寄存器，兼容ARMv7-A。
AArch64	ARMv8中的64位通用寄存器
ABI（Application Binary Interface）	彙編接口規範，跟執行環境相關，好比Linux ABI，說的是Linux環境下的彙編接口規範；
ARM-based	基於ARM
Floating point	根據上下文有這三種意思：（1）遵循IEEE 754 2008的浮點運算; （2）ARMv8浮點指令集; （3）一個被ARMv8浮點指令集和ARMv8 SIMD指令集共享的寄存器組。
Q-o-I	Quality of Implementation
SIMD	Single Instruction Multiple Data 一條指令操做多個數據
T32	T32使用可變16bit和32bit
Routine, subroutine	Routine：調用者；subroutine：被調用者
Procedure	沒有返回值的函數
Function	有返回值的函數
PIC, PID	Position-independent code, position-independent data.
Program state	指程序內存和寄存器的值
Caller- saved register	調用者在調用函數以前，保存寄存器（通常入棧），函數返回後恢復寄存器（通常出棧）
Callee-saved register	被調用者（函數內部），在起始地方保存寄存器，在結束時，恢復寄存器
NGRN（The Next General-purpose Register Number ）	能夠理解爲，記錄r0-r7（見下文寄存器）使用個數，參數傳遞前設爲0，每放一個參數進入寄存器（整型寄存器），值加1。當等於8時候，說明r0-r7寄存器使用完了，再有參數，只能放入內存了。
NSRN (The Next SIMD and Floating-point Register Number)	同上，記錄v0-v7使用個數
NSAA （The next stacked argument address）	記錄參數放入內存，參數傳遞前設爲SP，因此內存中參數範圍應該是 sp~NSAA。詳細見下文參數傳遞

數據類型和對齊

基本數據類型

Type Class	Machine Type	Byte size	Natural Alignment (bytes)
Integral	Unsigned byte	1	1
	Signed byte	1	1
	Unsigned half- word	2	2
	Signed half- word	2	2
	Unsigned word	4	4
	Signed word	4	4
	Unsigned double-word	8	8
	Signed double- word	8	8
	Unsigned quad- word	16	16
	Signed quad- word	16	16
Floating Point	Half precision	2	2
	Single precision	4	4
	Double precision	8	8
	Quad precision	16	16
Short vector	64-bit vector	8	8
	128-bit vector	16	16
Pointer	Data pointer	8	8
	Code pointer	8	8

程序調用規則

寄存器

arm64有兩種寄存器：

1. 處理整型和指針的寄存器
   1. 通用寄存器和AAPCS64用法

寄存器	別名	意義
SP		Stack Pointer:棧指針
r30	LR	Link Register:在調用函數時候，保存下一條要執行指令的地址。
r29	FP	Frame Pointer:保存函數棧的基地址。
r19...r28		Callee-saved registers（含義見上面術語解釋）
r18		平臺寄存器，有特定平臺解釋其用法。若是平臺未把其作特殊用途，可當作臨時寄存器使用。（iOS平臺保留的寄存器，應用不可以使用）
r17	IP1	The second intra-procedure-call temporary register (can be used by call veneers and PLT code); at other times may be used as a temporary register.
r16	IP0	The first intra-procedure-call scratch register (can be used by call veneers and PLT code); at other times may be used as a temporary register.
r9...r15		臨時寄存器
r8		在一些狀況下，返回值是經過r8返回的
r0...r7		r0-r7在函數調用過程當中傳遞參數和返回值
NZCV		狀態寄存器：N（Negative）負數 Z(Zero) 零 C(Carry) 進位 V(Overflow) 溢出

arm64有31個通用整型寄存器，r0-r30。當使用64bits時候，命名x0-x30；使用32bits時，命名w0-w30。當寄存器在此程序調用標準中具備固定角色時，使用大寫。

2. SIMD 和 Floating-Point寄存器

ARM64有32個寄存器v0-v31，用於處理SIMD和浮點運算。長度不一樣稱謂也不一樣，b，h，s，d，q，分別表明byte(8位)，half(16位)，single(32位)，double(64位)，quad(128位)。v0-v7在函數調用過程當中傳遞參數和返回值；v8-v15 是Callee-saved registers（見術語解釋），且是保存前64bits（更大的位數，調用者負責保存），v0-v7, v16-v31不須要保存或者調用者保存。

進程、內存、棧

一個進程的內存可分爲5類：

1. 代碼區。只能被進程讀，不可些。
2. 可寫靜態數據。
3. 只讀靜態數據。
4. 堆。
5. 棧。

可寫靜態數據能夠細分爲初始化，零初始化和未初始化數據。 除了棧以外，其它4類內存不須要佔用連續的內存。 進程必須具備一些代碼和棧，其它3類不是必須有。 堆是由進程管理的內存區域， 一般用於建立動態數據對象。

內存地址

地址空間包括一個或多個不相交的區域。 區域不能跨越零地址，可是能夠從零開始。 標記尋址（tagged addressing）的使用是特定平臺解釋的。 當禁用標記尋址時，指針的全部64位都被傳遞到地址轉換系統。 啓用標記尋址時，爲了進行地址轉換，將忽略指針的前八位。注意：此tagged addressing，非iOS裏的Tagged Pointer。

棧

棧是連續的內存空間，可用於存儲局部變量和參數傳遞（用於傳遞參數的寄存器不夠用時候）。棧地址是從高到低，棧的地址保存在SP中。 棧使用限制：

1. Stack-limit < SP <= stack-base
2. 進程只能訪問這個範圍內的棧空間：[SP, stack-base – 1]
3. SP mod 16 = 0

函數調用

A64指令集包含函數調用指令BL和BLR。 執行BL：PC（program counter）順序的下一個值，也就是返回地址（函數調用完成返回要執行指令的地址），存放到LR中，將跳轉地址傳給PC。BLR跟BL相似，只不過PC的值是從寄存器中讀取。

參數傳遞

參數可經過r0-r七、v0-v7，棧來傳遞；若是參數個數很少，且參數可放進寄存器，那僅用寄存器傳遞參數。

可變參數

可變參數可分爲命名參數（已聲明的）和匿名參數（可選的參數）。 當可變參數的函數，調用時候，沒有可選參數時候（只有已聲明的參數），調用過程和固定參數的函數同樣的。

參數傳遞規則

參數傳遞從概念上能夠分爲2階段：

1. 從源語言參數類型到機器類型的映射（不一樣源語言，映射規則不一樣）
2. 整理機器類型，生成最終參數列表

參數傳遞過程分爲3個階段：

• 階段A – 初始化 （在開始處理參數以前，該階段僅執行一次）

  1. NGRN = 0 （NGRN意義，見術語）
  2. NSRN = 0 （NSRN意義，見術語）
  3. NSAA = SP（NSAA意義，見術語）

• 階段B - 預填充和擴展參數 （把參數列表中的每個參數，去匹配下面規則，第一個被匹配到的規則，應用到該參數上。）

  1. 若是參數類型是複合類型，調用者和被調用者都不能肯定其大小，則將參數複製到內存中，並將參數替換爲指向該內存的指針。 （C / C ++語言中沒有這樣的類型，其它語言存在。）
  2. 若是參數是HFA或HVA類型，則參數不修改。
  3. 若是參數是大於16個字節的複合類型，調用者申請一個內存，將參數複製到內存裏去，並將參數替換爲指向該內存的指針。
  4. 若是參數是複合類型，則參數的大小向上舍入爲最接近8個字節的倍數。（例如參數大小爲9字節，修改成16字節）

• 階段C- 把參數放到寄存器或棧裏 （參數列表中的每一個參數，將依次應用如下規則，直到參數放到寄存器或棧裏，此參數處理完成，而後再從參數列表中取參數。注： 將參數分配給寄存器時，寄存器中未使用的位的值不肯定。 將參數分配給棧時，未填充字節的值不肯定。）

  1. (1) 若是參數是half(16bit)，single(16bit)，double(32bit)或quad(64bit)浮點數或Short Vector Type，而且NSRN小於8，則將參數放入寄存器v[NSRN]的最低有效位。 NSRN增長1。 此參數處理完成。
  2. (2) 若是參數是HFA(homogeneous floating-point aggregate)或HVA(homogeneous short vector aggregate)類型，且NSRN + （HFA或HVA成員個數） ≤ 8，則每一個成員依次放入SIMD and Floating-point 寄存器，NSRN=NSRN+ HFA或HVA成員個數。此參數處理完成。
  3. (3) 若是參數是HFA(homogeneous floating-point aggregate)或HVA(homogeneous short vector aggregate)類型，可是NSRN已經等於8（說明v0-v7被使用完畢）。則參數的大小向上舍入爲最接近8個字節的倍數。（例如參數大小爲9字節，修改成16字節）
  4. (4) 若是參數是HFA(homogeneous floating-point aggregate)、HVA(homogeneous short vector aggregate)、quad(64bit)浮點數或Short Vector Type，NSAA = NSAA+max(8, 參數天然對齊大小)。
  5. (5) 若是參數是half(16bit)，single(16bit)浮點數，參數擴展到8字節（放入最低有效位，其他bits值不肯定）
  6. (6) 若是參數是HFA(homogeneous floating-point aggregate)、HVA(homogeneous short vector aggregate)、half(16bit)，single(16bit)，double(32bit)或quad(64bit)浮點數或Short Vector Type，參數copy到內存，NSAA=NSAA+size（參數）。此參數處理完成。
  7. (7) 若是參數是整型或指針類型、size(參數)<=8字節，且NGRN小於8，則參數複製到x[NGRN]中的最低有效位。 NGRN增長1。 此參數處理完成。
  8. (8) 若是參數對齊後16字節，NGRN向上取偶數。（例如：NGRN爲2，那值保持不變；假如NGRN爲3，則取4。 注：iOS ABI沒有這個規則）
  9. (9) 若是參數是整型，對齊後16字節，且NGRN小於7，則把參數複製到x[NGRN] 和 x[NGRN+1]，x[NGRN]是低位。NGRN = NGRN + 2。 此參數處理完成。
  10. (10) 若是參數是複合類型，且參數能夠徹底放進x寄存器（8-NGRN>= 參數字節大小/8）。從x[NGRN]依次放入參數（低位開始）。未填充的bits的值不肯定。NGRN = NGRN + 此參數用掉的寄存器個數。此參數處理完成。
  11. (11) NGRN設爲8。
  12. (12) NSAA = NSAA+max(8, 參數天然對齊大小)。
  13. (13) 若是參數是複合類型，參數copy到內存，NSAA=NSAA+size（參數）。此參數處理完成。
  14. (14) 若是參數小於8字節，參數設置爲8字節大小，高位bits值不肯定。
  15. (15) 參數copy到內存，NSAA=NSAA+size（參數）。此參數處理完成。

從上面規則，能夠獲得經驗：

1. 處理完參數列表中全部的參數後，調用者必定知道傳遞參數用了多少棧空間。（NSAA - SP）
2. 浮點數和short vector types經過v寄存器和棧傳遞，不會經過r寄存器傳遞。（除非是小複合類型的成員）
3. 寄存器和棧中，參數未填充滿的部分的值，不可肯定。

函數返回結果

函數返回方式取決於返回結果的類型。

1. 若是返回是類型T，以下

void func(T arg)
複製代碼

arg值經過寄存器（組）傳遞，返回的結果也是經過相同的寄存器（組）返回。 2. 調用者申請內存（內存大小足夠放入返回結果且是內存對齊的），將內存地址放入x8中傳遞給子函數，子函數運行時候，能夠更新x8指向內存的內容，從而將結果返回。

結語

假如文章有不對地方，歡迎你們留言指出；或者給我發郵件(wu_k_k@foxmail.com)。

引用

1. infocenter.arm.com/help/topic/…
2. blog.csdn.net/adaptiver/a…
3. developer.apple.com/library/arc…

--EOF-- 轉載請保留連接，謝謝