3.7.5 寄存器中的局部存储空间

寄存器组是唯一被所有过程共享的资源。虽然在给定时刻只有一个过程是活动的，我们仍然必须确保当一个过程（调用者）调用另一个过程（被调用者）时，被调用者不会覆盖调用者稍后会使用的寄存器值。为此，x86-64 采用了一组统一的寄存器使用惯例，所有的过程（包括程序库）都必须遵循。

根据惯例，寄存器 %rbx、%rbp 和 %r12～%r15 被划分为被调用者保存寄存器。当过程 P 调用过程 Q 时，Q 必须保存这些寄存器的值，保证它们的值在 Q 返回到 P 时与 Q 被调用时是一样的。过程 Q 保存一个寄存器的值不变，要么就是根本不去改变它，要么就是把原始值压入栈中，改变寄存器的值，然后在返回前从栈中弹出旧值。压入寄存器的值会在栈帧中创建标号为“保存的寄存器”的一部分，如图 3-25 中所示。有了这条惯例，P 的代码就能安全地把值存在被调用者保存寄存器中（当然，要先把之前的值保存到栈上），调用 Q，然后继续使用寄存器中的值，不用担心值被破坏。

所有其他的寄存器，除了栈指针 %rsp，都分类为调用者保存寄存器。这就意味着任何函数都能修改它们。可以这样来理解“调用者保存”这个名字：过程 P 在某个此类寄存器中有局部数据，然后调用过程 Q。因为 Q 可以随意修改这个寄存器，所以在调用之前首先保存好这个数据是 P（调用者）的责任。

来看一个例子，图 3-34a 中的函数 P。它两次调用 Q。在第一次调用中，必须保存 x 的值以备后面使用。类似地，在第二次调用中，也必须保存 Q(y) 的值。图 3-34b 中，可以看到 GCC 生成的代码使用了两个被调用者保存寄存器：%rbp 保存 x 和 %rbx 保存计算出来的 Q(y) 的值。

long P(long x, long y)
{
    long u = Q(y);
    long v = Q(x);
    return u + v;
}

a) 调用函数

long P(long x, long y)
x in %rdi, y in %rsi
1  P:
2      pushq %rbp          Save %rbp
3      pushq %rbx          Save %rbx
4      subq $8, %rsp       Align stack frame
5      movq %rdi, %rbp     Save x
6      movq %rsi, %rdi     Move y to first argument
7      call Q              Call Q(y)
8      movq %rax, %rbx     Save result
9      movq %rbp, %rdi     Move x to first argument
10     call Q              Call Q(x)
11     addq %rbx, %rax     Add saved Q(y) to Q(x)
12     addq $8, %rsp       Deallocate last part of stack
13     popq %rbx           Restore %rbx
14     popq %rbp           Restore %rbp
15     ret                 Return

b) 调用函数生成的汇编代码

图 3-34　展示被调用者保存寄存器使用的代码。在第一次调用中，必须保存 x 的值，第二次调用中，必须保存 Q(y) 的值

在函数的开头，把这两个寄存器的值保存到栈中（第 2～3 行）。在第一次调用 Q 之前，把参数 x 复制到 %rbp（第 5 行）。在第二次调用 Q 之前，把这次调用的结果复制到 %rbx（第 8 行）。在函数的结尾（第 13～14 行），把它们从栈中弹出，恢复这两个被调用者保存寄存器的值。注意它们的弹出顺序与压入顺序相反，说明了栈的后进先出规则。

练习题 3.34 一个函数 P 生成名为 a0～a7 的局部变量，然后调用函数 Q，没有参数。GCC 为 P 的第一部分产生如下代码：

long P(long x)
x in %rdi
1  P:
2      pushq %r15
3      pushq %r14
4      pushq %r13
5      pushq %r12
6      pushq %rbp
7      pushq %rbx
8      subq $24, %rsp
9      movq %rdi, %rbx
10     leaq 1(%rdi), %r15
11     leaq 2(%rdi), %r14
12     leaq 3(%rdi), %r13
13     leaq 4(%rdi), %r12
14     leaq 5(%rdi), %rbp
15     leaq 6(%rdi), %rax
16     movq %rax, (%rsp)
17     leaq 7(%rdi), %rdx
18     movq %rdx, 8(%rsp)
19     movl $0, %eax
20     call Q

A. 确定哪些局部值存储在被调用者保存寄存器中。

B. 确定哪些局部变量存储在栈上。

C. 解释为什么不能把所有的局部值都存储在被调用者保存寄存器中。