x86-64寄存器传递参数的顺序

Question

我对x86-64环境下的参数传递过程很好奇，因此我写了一段代码。

//a.c
extern int shared;
int main(){
    int a=100;
    swap(&a, &shared);
}
//b.c
int shared=1;
void swap(int* a, int* b){
    *a ^= *b ^= *a ^= *b;
}

我使用以下命令编译两个文件：

gcc -c -fno-stack-protector a.c b.c

然后，我使用 objdump -d a.o 命令来检查 a.o 的反汇编代码。

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
   0:   55                      push   %rbp
   1:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
   4:   48 83 ec 10             sub    $0x10,%rsp
   8:   c7 45 fc 64 00 00 00    movl   $0x64,-0x4(%rbp)
   f:   48 8d 45 fc             lea    -0x4(%rbp),%rax
  13:   be 00 00 00 00          mov    $0x0,%esi
  18:   48 89 c7                mov    %rax,%rdi
  1b:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
  20:   e8 00 00 00 00          callq  25 <main+0x25>
  25:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
  2a:   c9                      leaveq 
  2b:   c3                      retq

由于我的工作环境是Ubuntu 16.04 x86-64，我发现很难理解参数传递的顺序。

在我看来，这里的默认调用约定是fastcall，因此参数是从右到左传递的。

我知道根据x86-64 System V ABI手册，rdi和rsi用于传递前两个参数

然而，根据反汇编代码，rdi负责处理位于左侧的var a，也就是第二个参数。

有人能帮我指出我的错误吗？

- BecomeBetter

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左边的参数是第一个参数。 - user3386109

x86-64 System V不是“fastcall”。它没有除Sys V之外的名称。该术语描述了Windows调用约定。 - Peter Cordes

请指定正在使用的编译器版本和开关。 - M.M

@M.M：Ubuntu 16.04具有gcc5.3（https://packages.ubuntu.com/xenial/gcc），而OP指定使用`gcc -c -fno-stack-protector a.c b.c进行编译。我不知道你为什么要问，但这是完全正常的-O0未优化的编译器输出，并且在任何x86-64 gcc版本上基本相同，除了使用--enable-default-pie构建的gcc将使用lea shared(%rip), %rsi`。（显然不适用于Ubuntu 16.04。） - Peter Cordes

@PeterCordes，无论我们是否处于C89模式下，都会影响调用未声明函数的行为。 - M.M

@M.M：根据我的经验，即使在C99/C11模式下，gcc也通过应用C89 arg promotion规则来定义行为（并将其视为可变参数以设置AL）。https://godbolt.org/z/41dfgG 无论启用还是禁用优化，gcc5.3都会将EAX清零，即使使用-std=c11（而不是gnu11）。https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/PowerPC-SPE-Options.html#index-mno-prototype说PowerPC gcc有一个-mprototype选项，可以承诺对可变参数函数的调用进行适当的原型化，因此它可以避免在未原型化的调用之前执行PPC等效操作（在CR中清除/设置位）。没有提到仅限于C89。 - Peter Cordes

Answer 1

参数从左到右编号（感谢@R.指出这是您实际上的困惑；我以为您在谈论asm指令的顺序，并错过了问题的最后一段。）

在我看来，看起来很正常。当call swap指令运行时，

• rdi保存指向a的指针（堆栈上的本地变量），由
  lea -0x4(%rbp),%rax和mov %rax,%rdi设置。

  （而不是直接将lea加载到rdi中，因为您没有启用优化。）

• rsi保存指向shared的指针，由mov $shared,%esi设置
• al保存0，因为您在调用函数之前没有定义或原型化该函数。（即使没有-Wall，gcc也应该警告您。）

.o 的反汇编显示 $shared 为0，因为它尚未链接，所以它是来自符号的占位符（和0偏移量）。 使用 objdump -drwC 查看重定位符号。 （我也喜欢使用 -Mintel，而不是AT&T语法。）

另外，更容易查看的是编译器的汇编输出，其中你将看到 $shared 而不是数字和符号引用。请参见如何从GCC / clang汇编输出中去除“噪音”？。

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寄存器的写入顺序无关紧要，只要它们在调用函数时的值相同。

对于堆栈参数也是一样的：如果编译器选择使用mov将参数写入堆栈，它可以按任意顺序执行。

只有当您选择使用push时，您才必须从右到左，以便将第一个（最左边）参数留在最低地址处，这是所有主流C调用约定所要求的，适用于未通过寄存器传递的参数（如果有）。

这种从右到左的顺序可能是为什么gcc -O0（没有优化，加上反优化以进行调试）选择以那种顺序设置寄存器，即使这并不重要。

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顺便说一句，即使正确实现没有UB，xor-swap也是无用和毫无意义的（表达式a^=b^=a^=b中是否有序列点，或者它是未定义的？）。

if(a==b) { *a = *b = 0; } else { int tmp = *a; *a=*b; *b=tmp; } 是一个更有效的交换方法，如果两个指针都指向同一个对象，则保留了安全的xor-swap的行为。我猜你想要这样做吧？否则你为什么要使用xor-swap呢？

如果不启用优化，任何一种方法的编译器生成的汇编代码基本上都会很糟糕，就像main的代码一样。如果启用优化，swap通常可以内联并且成为零指令，或者只在寄存器之间花费多达3个mov指令；有时会更少。（编译器可以改变其寄存器分配并决定现在a和b在相反的寄存器中。）

- Peter Cordes

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先生，UB是什么意思？ - BecomeBetter

@BecomeBetter 【每个程序员都应该了解的未定义行为】（http://blog.llvm.org/2011/05/what-every-c-programmer-should-know.html）。另请参见：[XOR交换算法中运算符的未定义行为？](https://dev59.com/y4jca4cB1Zd3GeqPuk7s)，以了解您的“swap”函数存在什么问题，该问题使用相同的定义。 - Peter Cordes

Answer 2

你对first/second的理解是错误的。计数从左边开始。

此外，你的代码存在一些问题，至少包括：

1. 你在没有声明/原型的情况下调用了swap，因此虽然不需要，但GCC选择生成可以作为可变参数函数工作的代码（将0存储在%rax中）。

2. swap的定义是一堆未定义行为。

- R.. GitHub STOP HELPING ICE