寄存器分配---如何利用和溢出调用方保存的寄存器

问题描述

我了解到，如果被呼叫者使用了caller saved registers (rax rdx rcx rsi rdi r8 r9 r10 r11)中的任何一个，那么它必须在呼叫者执行call指令之前进行保存并在之后进行恢复。

通过以下示例，

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，因为其中之一必须用于寻址堆栈存储器。

2. read和print来自某个外部编译单元。因此，当我们编译当前的编译单元时，尤其是在main函数的寄存器分配期间，我们并不真正了解它们的调用方保存寄存器的用法。

在godbolt和-O3中，它将编译为以下内容

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)中。

2. 我们不需要浪费任何caller saved registers，因为根本没有使用它们，因此在这里效率更高。

我的问题

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

2. 对于read和print之类的被叫者，因为我们不知道它们的寄存器使用情况，我们应该如何为caller saved registers进行溢出？

谢谢

解决方法

似乎“调用者已保存/被调用者已保存”这个令人困惑和不直观的术语误导了您，认为每个寄存器都应该始终由某人保存。请参阅What are callee and caller saved registers?-“保持通话”与“电话瘫痪”在便于记忆和心理模型上都更加有用。像函数arg一样，破坏值是很正常的。

如果我们不使用它们，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密集（“保存了呼叫者”）寄存器：它使用RDI将arg传递给print(int)，并将RAX设为main的返回值值。

如果在呼叫密集寄存器中有一个值需要在整个函数调用中保留下来，则GCC选择将该值mov read()到保留调用的寄存器中。例如 mov %eax,%ebp返回时，其返回值以EAX表示，下次调用将销毁该值。因此它使用12(%rsp)或其他任何方法将其保存到保留呼叫的寄存器中，或将其中的一个溢出到-fomit-frame-pointer中。

（请注意，GCC使用push / pop来保存/恢复其使用的保留呼叫寄存器的调用者值。）

GCC的默认代码生成策略是保存/恢复保留调用的寄存器，以在各个调用之间保存值，而不是在此函数内部 溢出到内存中。对于不太重要的情况，这通常是一件好事，尤其是对于循环内的调用。有关更多信息，请参见Why do compilers insist on using a callee-saved register here?。

而且我们不能同时使用rbp或rsp，因为其中之一必须用于寻址堆栈存储器。

也错误：使用read（在大多数优化级别上），RBP只是另一个保留呼叫的寄存器。您的函数使用它来保存dot返回值。 （EBP是RBP的低32位。）

,

我了解到，如果被调用方使用了任何已保存的调用方寄存器（rax rdx rcx rsi rdi r8 r9 r10 r11），那么它必须在调用方调用指令之前保存并在调用方调用之后恢复。

应该是

我了解到，如果调用者使用了任何已保存的调用者寄存器（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者指令之后恢复。 >

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。您不确定是否有给定的被叫方使用它们，因此您必须假设最坏的情况。但是，呼叫者仅在使用它们时才需要保存它们。如果不是，那么您就不在乎它们是否会被破坏。