arm64程序调用规则

前言

我的博客

这篇主要介绍arm64程序调用规则，详细分析了程序调用过程中，参数是如何传递的。Android、iOS、Linux等基本遵循这些规则，但是各个操作系统平台也有小部分自己特定的规则。下一篇，我将介绍iOS平台的特定规则。

术语介绍

术语	意义
A32	在ARMv7架构中，使用32位固定长度指令的ARM指令集。
A64	AArch64可用时的指令集。
AAPCS64	AArch64程序调用标准。（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）	汇编接口规范，跟执行环境相关，比如Linux ABI，说的是Linux环境下的汇编接口规范；
ARM-based	基于ARM
Floating point	根据上下文有这三种意思：（1）遵循IEEE 754 2008的浮点运算; （2）ARMv8浮点指令集; （3）一个被ARMv8浮点指令集和ARMv8 SIMD指令集共享的寄存器组。
Q-o-I	Quality of Implementation
SIMD	Single Instruction Multiple Data 一条指令操作多个数据
T32	T32使用可变16bit和32bit
Routine, subroutine	Routine：调用者；subroutine：被调用者
Procedure	没有返回值的函数
Function	有返回值的函数
PIC, PID	Position-independent code, position-independent data.
Program state	指程序内存和寄存器的值
Caller- saved register	调用者在调用函数之前，保存寄存器（一般入栈），函数返回后恢复寄存器（一般出栈）
Callee-saved register	被调用者（函数内部），在起始地方保存寄存器，在结束时，恢复寄存器
NGRN（The Next General-purpose Register Number ）	可以理解为，记录r0-r7（见下文寄存器）使用个数，参数传递前设为0，每放一个参数进入寄存器（整型寄存器），值加1。当等于8时候，说明r0-r7寄存器使用完了，再有参数，只能放入内存了。
NSRN (The Next SIMD and Floating-point Register Number)	同上，记录v0-v7使用个数
NSAA （The next stacked argument address）	记录参数放入内存，参数传递前设为SP，所以内存中参数范围应该是 sp~NSAA。详细见下文参数传递

数据类型和对齐

基本数据类型

程序调用规则

寄存器

arm64有两种寄存器：

1. 处理整型和指针的寄存器
   1. 通用寄存器和AAPCS64用法

寄存器	别名	意义
SP		Stack Pointer:栈指针
r30	LR	Link Register:在调用函数时候，保存下一条要执行指令的地址。
r29	FP	Frame Pointer:保存函数栈的基地址。
r19...r28		Callee-saved registers（含义见上面术语解释）
r18		平台寄存器，有特定平台解释其用法。如果平台未把其做特殊用途，可当做临时寄存器使用。（iOS平台保留的寄存器，应用不可使用）
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		临时寄存器
r8		在一些情况下，返回值是通过r8返回的
r0...r7		r0-r7在函数调用过程中传递参数和返回值
NZCV		状态寄存器：N（Negative）负数 Z(Zero) 零 C(Carry) 进位 V(Overflow) 溢出

arm64有31个通用整型寄存器，r0-r30。当使用64bits时候，命名x0-x30；使用32bits时，命名w0-w30。当寄存器在此程序调用标准中具有固定角色时，使用大写。

2. SIMD 和 Floating-Point寄存器

ARM64有32个寄存器v0-v31，用于处理SIMD和浮点运算。长度不同称谓也不同，b，h，s，d，q，分别代表byte(8位)，half(16位)，single(32位)，double(64位)，quad(128位)。v0-v7在函数调用过程中传递参数和返回值；v8-v15 是Callee-saved registers（见术语解释），且是保存前64bits（更大的位数，调用者负责保存），v0-v7, v16-v31不需要保存或者调用者保存。

进程、内存、栈

一个进程的内存可分为5类：

1. 代码区。只能被进程读，不可些。
2. 可写静态数据。
3. 只读静态数据。
4. 堆。
5. 栈。

可写静态数据可以细分为初始化，零初始化和未初始化数据。 除了栈之外，其它4类内存不需要占用连续的内存。 进程必须具有一些代码和栈，其它3类不是必须有。
堆是由进程管理的内存区域， 通常用于创建动态数据对象。

内存地址

地址空间包括一个或多个不相交的区域。 区域不能跨越零地址，但是可以从零开始。
标记寻址（tagged addressing）的使用是特定平台解释的。 当禁用标记寻址时，指针的所有64位都被传递到地址转换系统。 启用标记寻址时，为了进行地址转换，将忽略指针的前八位。注意：此tagged addressing，非iOS里的Tagged Pointer。

栈

栈是连续的内存空间，可用于存储局部变量和参数传递（用于传递参数的寄存器不够用时候）。栈地址是从高到低，栈的地址保存在SP中。
栈使用限制：

1. Stack-limit < SP <= stack-base
2. 进程只能访问这个范围内的栈空间：[SP, stack-base – 1]
3. SP mod 16 = 0

函数调用

A64指令集包含函数调用指令BL和BLR。
执行BL：PC（program counter）顺序的下一个值，也就是返回地址（函数调用完成返回要执行指令的地址），存放到LR中，将跳转地址传给PC。BLR跟BL类似，只不过PC的值是从寄存器中读取。

参数传递

参数可通过r0-r7、v0-v7，栈来传递；如果参数个数不多，且参数可放进寄存器，那仅用寄存器传递参数。

可变参数

可变参数可分为命名参数（已声明的）和匿名参数（可选的参数）。
当可变参数的函数，调用时候，没有可选参数时候（只有已声明的参数），调用过程和固定参数的函数一样的。

参数传递规则

参数传递从概念上可以分为2阶段：

1. 从源语言参数类型到机器类型的映射（不同源语言，映射规则不同）
2. 整理机器类型，生成最终参数列表

参数传递过程分为3个阶段：

• 阶段A – 初始化
  （在开始处理参数之前，该阶段仅执行一次）

  1. NGRN = 0 （NGRN意义，见术语）
  2. NSRN = 0 （NSRN意义，见术语）
  3. NSAA = SP（NSAA意义，见术语）

• 阶段B - 预填充和扩展参数 （把参数列表中的每一个参数，去匹配下面规则，第一个被匹配到的规则，应用到该参数上。）

  1. 如果参数类型是复合类型，调用者和被调用者都不能确定其大小，则将参数复制到内存中，并将参数替换为指向该内存的指针。 （C / C ++语言中没有这样的类型，其它语言存在。）
  2. 如果参数是HFA或HVA类型，则参数不修改。
  3. 如果参数是大于16个字节的复合类型，调用者申请一个内存，将参数复制到内存里去，并将参数替换为指向该内存的指针。
  4. 如果参数是复合类型，则参数的大小向上舍入为最接近8个字节的倍数。（例如参数大小为9字节，修改为16字节）

• 阶段C- 把参数放到寄存器或栈里 （参数列表中的每个参数，将依次应用以下规则，直到参数放到寄存器或栈里，此参数处理完成，然后再从参数列表中取参数。注： 将参数分配给寄存器时，寄存器中未使用的位的值不确定。 将参数分配给栈时，未填充字节的值不确定。）

  1. (1) 如果参数是half(16bit)，single(16bit)，double(32bit)或quad(64bit)浮点数或Short Vector Type，并且NSRN小于8，则将参数放入寄存器v[NSRN]的最低有效位。 NSRN增加1。 此参数处理完成。
  2. (2) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)或HVA(homogeneous short vector aggregate)类型，且NSRN + （HFA或HVA成员个数） ≤ 8，则每个成员依次放入SIMD and Floating-point 寄存器，NSRN=NSRN+ HFA或HVA成员个数。此参数处理完成。
  3. (3) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)或HVA(homogeneous short vector aggregate)类型，但是NSRN已经等于8（说明v0-v7被使用完毕）。则参数的大小向上舍入为最接近8个字节的倍数。（例如参数大小为9字节，修改为16字节）
  4. (4) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)、HVA(homogeneous short vector aggregate)、quad(64bit)浮点数或Short Vector Type，NSAA = NSAA+max(8, 参数自然对齐大小)。
  5. (5) 如果参数是half(16bit)，single(16bit)浮点数，参数扩展到8字节（放入最低有效位，其余bits值不确定）
  6. (6) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)、HVA(homogeneous short vector aggregate)、half(16bit)，single(16bit)，double(32bit)或quad(64bit)浮点数或Short Vector Type，参数copy到内存，NSAA=NSAA+size（参数）。此参数处理完成。
  7. (7) 如果参数是整型或指针类型、size(参数)<=8字节，且NGRN小于8，则参数复制到x[NGRN]中的最低有效位。 NGRN增加1。 此参数处理完成。
  8. (8) 如果参数对齐后16字节，NGRN向上取偶数。（例如：NGRN为2，那值保持不变；假如NGRN为3，则取4。 注：iOS ABI没有这个规则）
  9. (9) 如果参数是整型，对齐后16字节，且NGRN小于7，则把参数复制到x[NGRN] 和 x[NGRN+1]，x[NGRN]是低位。NGRN = NGRN + 2。 此参数处理完成。
  10. (10) 如果参数是复合类型，且参数可以完全放进x寄存器（8-NGRN>= 参数字节大小/8）。从x[NGRN]依次放入参数（低位开始）。未填充的bits的值不确定。NGRN = NGRN + 此参数用掉的寄存器个数。此参数处理完成。
  11. (11) NGRN设为8。
  12. (12) NSAA = NSAA+max(8, 参数自然对齐大小)。
  13. (13) 如果参数是复合类型，参数copy到内存，NSAA=NSAA+size（参数）。此参数处理完成。
  14. (14) 如果参数小于8字节，参数设置为8字节大小，高位bits值不确定。
  15. (15) 参数copy到内存，NSAA=NSAA+size（参数）。此参数处理完成。

从上面规则，可以得到经验：

1. 处理完参数列表中所有的参数后，调用者一定知道传递参数用了多少栈空间。（NSAA - SP）
2. 浮点数和short vector types通过v寄存器和栈传递，不会通过r寄存器传递。（除非是小复合类型的成员）
3. 寄存器和栈中，参数未填充满的部分的值，不可确定。

函数返回结果

函数返回方式取决于返回结果的类型。

1. 如果返回是类型T，如下

void func(T arg)

arg值通过寄存器（组）传递，返回的结果也是通过相同的寄存器（组）返回。

2. 调用者申请内存（内存大小足够放入返回结果且是内存对齐的），将内存地址放入x8中传递给子函数，子函数运行时候，可以更新x8指向内存的内容，从而将结果返回。

结语

假如文章有不对地方，欢迎大家留言指出；或者给我发邮件([email protected])。

引用

1. http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0055b/IHI0055B_aapcs64.pdf
2. https://blog.csdn.net/adaptiver/article/details/80492292
3. https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Xcode/Conceptual/iPhoneOSABIReference/Articles/ARM64FunctionCallingConventions.html

--EOF-- 转载请保留链接，谢谢