ARM：为什么在函数调用时需要推送/弹出两个寄存器？

Question

我知道在函数调用开始时需要将链接寄存器压入堆栈，并在返回之前将该值弹出至程序计数器，以使执行能够从函数调用之前的位置继续。

但我不明白为什么大多数人会通过添加额外的寄存器来实现这一点。例如：

push {ip, lr}
...
pop {ip, pc}

例如，这是一段ARM汇编中的Hello World代码，由官方ARM博客提供：

.syntax unified

    @ --------------------------------
    .global main
main:
    @ Stack the return address (lr) in addition to a dummy register (ip) to
    @ keep the stack 8-byte aligned.
    push    {ip, lr}

    @ Load the argument and perform the call. This is like 'printf("...")' in C.
    ldr     r0, =message
    bl      printf

    @ Exit from 'main'. This is like 'return 0' in C.
    mov     r0, #0      @ Return 0.
    @ Pop the dummy ip to reverse our alignment fix, and pop the original lr
    @ value directly into pc — the Program Counter — to return.
    pop     {ip, pc}

    @ --------------------------------
    @ Data for the printf calls. The GNU assembler's ".asciz" directive
    @ automatically adds a NULL character termination.
message:
    .asciz  "Hello, world.\n"

问题1: 为什么要使用所谓的“虚拟寄存器”？为什么不直接使用push{lr}和pop{pc}？他们说这是为了保持堆栈8字节对齐，但堆栈不是4字节对齐吗？

问题2: "ip"寄存器是什么（即r7还是其他什么）？

- Daniel Scocco

---

我链接了一个ARM的博客文章，他们推荐使用这个双寄存器模式。请去看一下，里面有一些代码。 - Daniel Scocco

啊，所以这个链接回答了你的问题。你可以自己发布这个答案并关闭这个问题。 - old_timer

请参考下面Mike的回答，这和64位总线有关，如果保持对齐，即使你来回移动32个以上的位，速度也是相同或更快的，如果不对齐，则需要2到3个额外的内存事务。一个64位对齐的push或pop（2个寄存器）是一个内存事务，一个64位不对齐的push或pop是两个内存事务。一个128位对齐的pop是1个内存事务（长度为2），一个128位不对齐的pop是3个内存事务，1个32位，1个64位和1个32位。期望编译器始终对齐（并希望引导程序也这样做）。 - old_timer

比其他人已经指出的更简单的答案是“因为ARM这样说”。 ARM EABI规定8字节堆栈对齐，因此编译器现在生成代码以维护此对齐（好吧，我至少看到了一个问题）。 - old_timer

这是两个更近期的重复问题：为什么ARM gcc在函数开始时将寄存器r3和lr推入堆栈？ 和 使用arm-linux-gnueabi-gcc编译时，为什么堆栈指针向下移动4个字节而不是堆栈帧大小？ 我认为这里的答案已经充分覆盖了所有内容。 - Peter Cordes

Answer 1

8字节对齐是符合AAPCS标准的对象之间互操作的要求。

ARM在此问题上有一条建议性注释：

ARM® 架构ABI建议注释 - 进入AAPCS兼容函数时SP必须8字节对齐

文章提到了使用8字节对齐的两个原因

• 对齐故障或不可预测的行为。 (与硬件/架构相关的原因 - LDRD / STRD可能会在除ARMv7之外的架构上导致对齐故障或显示不可预测的行为)

• 应用程序失败。 (编译器 - 运行时假设差异，他们举了va_start和va_arg作为例子)

当然，这都是关于公共接口的，如果您正在创建一个没有额外链接的静态可执行文件，您可以将堆栈对齐到4个字节。

- auselen

---

值得一提的是：存储2个寄存器的用例非常普遍，在armv8中，已经取消了push和pop指令，而专门引入了stp和ldp指令来代替。详情请参考：https://dev59.com/Tobca4cB1Zd3GeqPbuRu - Ciro Santilli OurBigBook.com

Answer 2

“Dummy register”是什么原因？为什么不直接使用push{lr}和pop{pc}？他们说这是为了保持栈的8字节对齐，但是栈不是4字节对齐吗？

栈只需要4字节对齐；但是如果数据总线宽度为64位（正如许多现代ARM处理器），将其保持在8字节对齐会更加有效。例如，如果您调用一个需要堆叠两个寄存器的函数，则可以通过单个64位写入而不是两个32位写入来完成。

更新：显然这不仅仅是为了效率；这是官方过程调用标准的要求，如评论中所述。

如果目标是旧的32位ARM，则额外的堆叠寄存器可能会轻微降低性能。

“ip”寄存器是哪个（即r7还是其他）？

是“r12”。例如，请参见过程调用标准使用的完整寄存器别名的此处。

- Mike Seymour

---

这个答案是误导性和危险的。8字节对齐是所有EABI兼容代码的要求，不在所有外部边界上保持它可能会导致运行时故障 - 更糟糕的是，在某些处理器上执行某些编译器版本构建时，可能会导致运行时故障。 - unixsmurf

只是回应 @unixsmurf 的回答。 AAPCS 的 5.2.1.2 规定了“SP mod 8 = 0。堆栈必须是双字对齐的。”对于公共接口，您真的希望始终遵循这一点，除非您知道自己在做什么。ARM 还有一篇关于8 字节堆栈对齐的知识文章。 - John Szakmeister

@unixsmurf：抱歉，我的过程调用标准知识有点过时了；我没有意识到现在需要8字节对齐。我想我最好停止回答有关ARM的问题了。我已经更新了答案以反映这一点；希望现在可以接受，但不幸的是，只要答案被接受，我就无法删除它。 - Mike Seymour

很久以前（OABI）曾经不需要这样做。随着ARMv4和strd的出现，有一个要求是将事物对齐到8个字节。https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=43518并不总是要求堆栈对齐到8个字节。然而，任何现代系统都会有这个要求。如果您只使用汇编语言编码，则无需遵循ABI（除非系统中的其他内容需要）。将该函数标记为不可跟踪。 - artless noise

Answer 3

由于您希望在执行函数后存储并恢复它们，因此需要进行以下操作。 在函数入口处，保存 ip 和 lr 寄存器（称为 prolog）。 完成函数后，分配两者（epilog）：

pc <- lr

ip <- old_ip

EDIT

寄存器r12也被称为IP，用作过程内调用的临时寄存器，详情请参见此处。

约定规定被调用的函数可以更改ip、r0-r3，因此您必须根据调用约定恢复它们。

EDIT2: 为什么我们可能希望在ARM上将堆栈对齐到8个字节

如果堆栈不是八字节对齐的，则使用LDRD和STRD（加载和存储双字）可能会引起对齐故障，具体取决于目标和配置。

请注意，X86上也有相同的问题，在Mac OS上有16字节对齐。

- 0x90

---

我知道它可以这样做。我的问题是为什么大多数人在push/pop时使用两个寄存器。为什么不简单地使用push {lr}和pop {pc}呢？ - Daniel Scocco

由于该语言允许您推送{寄存器列表}，并且是一条汇编指令，假设您想要存储r0-r15，则可以在32位代码长度或15 * 32位代码长度中执行，哪个更好？http://en.wikipedia.org/wiki/KISS_principle - 0x90

你没有理解我的问题。我重新编辑了它，请查看一下。 - Daniel Scocco

ARM EABI规范要求堆栈保持64位对齐，否则无法在堆栈上使用ldr/strd。此外，我所见过的大多数实现都能够在相同的时间内执行64位宽度的内存访问，如果地址是64位对齐的话。在这种情况下添加ip（或任何其他寄存器）只是为了避免代码显式进行对齐（通过add和sub）。如果代码仅push/pop lr/pc，则printf的堆栈将不再对齐，并且调用ldr时可能会崩溃。 - Nico Erfurth

@Masta79：为什么不把你的评论作为答案添加呢？这是正确的解释，现有的解释都不完整。 - unixsmurf