ARM64函数调用栈寄存器分配

在 ARM64（AArch64）架构下，理解函数调用栈、寄存器分配以及参数传递是底层开发和调试的核心。ARM64 的函数调用遵循 AAPCS64（Procedure Call Standard for the ARM 64-bit Architecture）。

以下是关于函数调用栈、指针保存和返回值的详细解析：

1. 核心寄存器角色

在 ARM64 中，有 31 个通用寄存器（X0-X30），其中几个在函数调用中起关键作用：

  • X0 - X7: 用于传递函数参数。如果函数有返回值，通常也存放在 X0 中（如果返回值很大，则使用 X8）。
  • X29 (FP, Frame Pointer): 帧指针。指向当前栈帧的底部（高地址端），用于追踪函数调用链。
  • X30 (LR, Link Register): 链接寄存器。保存函数返回时的地址。执行 BL（Branch with Link）指令时，硬件会自动将下一条指令地址存入 LR。
  • SP (Stack Pointer): 栈指针。指向当前栈的顶部（低地址端）。ARM64 要求 SP 必须 16 字节对齐。
  • PC (Program Counter): 程序计数器，指向当前执行的指令（不可直接通过指令修改，需通过跳转指令）。

2. 函数调用栈的结构

ARM64 的栈是向下增长的（从高地址向低地址）。一个标准的栈帧（Stack Frame）通常包含：

  1. 返回地址 (LR)
  2. 上一个栈帧的 FP (Previous FP)
  3. 被调用者保存的寄存器 (Callee-saved registers, X19-X28)
  4. 局部变量
  5. 传递给子函数的参数（如果超过 8 个）

3. 函数调用的全过程

假设函数 A 调用函数 B：

A. 调用前（Caller 准备）

  1. A 将参数放入 X0-X7。
  2. 执行 BL B 指令：
    • 将 BL 的下一条指令地址存入 LR (X30)。
    • 跳转到 B 的入口。

B. 函数入口（B 的 Prologue/序言）

函数 B 启动后，第一件事是保护现场，尤其是因为 B 可能还会调用函数 C（这会覆盖 LR）。

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stp x29, x30, [sp, #-32]!  // 将 FP 和 LR 存入栈中，同时 SP 向下移动 32 字节 (Pre-index)
mov x29, sp                // 将当前的 SP 存入 FP，建立新的帧指针
  • stp (Store Pair): 一次性存储两个寄存器。
  • [sp, #-32]!: 申请 32 字节空间，! 表示更新 SP 的值。
  • 注意: 此时栈底存的是旧的 FP，接着是返回地址 LR。

C. 函数执行（Body）

  • 局部变量存放在栈上 [sp, #offset]。
  • 如果使用到 X19-X28，需要先压栈保护。

D. 函数退出（B 的 Epilogue/尾声）

  1. 设置返回值: 将结果写入 X0。
  2. 恢复现场:
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    ldp x29, x30, [sp], #32    // 从栈中恢复 FP 和 LR，同时 SP 向上移动 32 字节 (Post-index)
    ret                        // 跳转到 LR 所指向的地址
  • ldp (Load Pair): 从栈中加载回两个寄存器。
  • ret: 实际上就是 br x30。

4. 返回值如何保存

  • 基本类型: 整数、指针存放在 X0。如果是 128 位数据（如 __int128），使用 X0 和 X1。
  • 浮点数: 存放在浮点寄存器 V0 或 D0。
  • 大型结构体:
    • 如果结构体很大（超过 16 字节），调用者会在栈上预留空间。
    • 调用者将该空间的地址放在 X8 寄存器中（Indirect Result Location）。
    • 子函数执行完后，将结果写入 X8 指向的内存。

5. 图解栈帧状态

假设正在执行子函数，栈的情况如下：

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地址      内容
----     -------------------------  <-- 调用者的 SP (对齐 16 字节)
高地址    ... 局部变量 ...
          [X30] (返回地址 LR)        <-- FP (X29) 指向这里
          [X29] (上级 FP 地址)
          ... 局部变量 ...
低地址    ... 临时数据 ...           <-- 当前 SP 指向这里
----     -------------------------

6. 关键特性总结

  1. FP 链 (Frame Chain): ARM64 强制（或强烈建议）维护 FP。通过当前 FP，你可以找到旧的 FP，旧的 FP 又指向更旧的 FP。这构成了回溯 (Backtrace) 的基础。
  2. 叶子函数 (Leaf Function): 如果一个函数不再调用其他函数，它就不需要保存 LR 到栈上，直接在最后 ret 即可。这节省了内存访问。
  3. 16 字节对齐: ARM64 硬件强制要求 SP 在进行内存访问时必须对齐到 16 字节，否则会触发异常（Alignment Fault）。

示例代码 (C 对应汇编)

C 代码：

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int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

ARM64 汇编 (简化版)：

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add:
    add w0, w0, w1    // 参数在 w0, w1，结果存入 w0
    ret               // 直接返回，无需操作栈（叶子函数）

如果有复杂的调用：

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void caller() {
    callee(1);
}

汇编：

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caller:
    stp x29, x30, [sp, #-16]! // 保护 FP 和 LR
    mov x29, sp               // 设置新 FP
    mov w0, #1                // 参数传入 X0
    bl callee                 // 跳转并保存返回地址到 LR
    ldp x29, x30, [sp], #16   // 恢复
    ret
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