System V的ABI的Function Calling Sequence（函数调用顺序）

Magicmanoooo 3月 09, 2019

1. Register and Stack Frame（寄存器和帧栈）

AMD64体系提供16个64位通用寄存器。此外，该体系还提供16个SSE寄存器（每一个占128位）以及8个X87 floating point register（浮点寄存器，每一个占80位）。每一个X87浮点寄存器在MMX/3DNow! 模型中也许代表一个64位寄存器。这些寄存器相对于一个正在运行的程序中的所有procedures而言都是全局的。

%rbp,%rbx以及%r12到%r15都属于calling function（调用函数），被调用的函数需要保存这些值。换言之，一个被调用的函数必须为caller（调用者）这些寄存器的值。剩下的寄存器属于被调用函数。如果一个调用函数想要通过函数调用来保存这类寄存器的值，它必须在其local stack frame（局部帧栈）中保存这一值。

2. The Stack Frame（帧栈）

除了寄存器之外，每一个函数还用一个run-time stack（运行栈）。该栈从高地址向下增长，图示为stack organization：

input arrgument area（输入参数区）的结尾应该与16位的边界进行对齐。换言之，当control被转换为function entry point（函数进入点）时，栈指针%rsp总是指向最近分配的帧栈的尾部。

Entry point

在CS中，entry point是控制从OS转换为计算机程序的地方，处理器从此处加载程序或者代码段并开始执行。在一些OS或编程语言中，initial entry不属于程序的一部分，而属于runtime library（运行时库），在这种情况下，程序在第一次载入的时，在做其他事之前首次会调用运行时库。当运行库返回时，实际的代码才会开始执行。这标志着从load time（装载期，或者动态链接期）向run time（运行期）的转变。

Parameter Passing（参数传递）

当参数值被计算之后，它们便被放置在寄存器中，或者被压入栈中。

定义：定义一些classes来classify arguments（区分参数）。这些classes对应于AMD64寄存器：

INTEGER
这个class包含了符合通用寄存器中的integral types（整型）
SSE
这个class包含了符合SSE寄存器的类型
SSEUP
The class consists of types that fit into a SSE register and can be passed and returned in the most significant half of it.（这个class包含了满足SSE寄存器的类型，而且它可以以半个最重要的寄存器传递和返回）
X87，X87UP
这些classes包含通过x87 FPU（Floating Point Unit）返回的类型
COMPLEX_X87
这个class包含了经由x87 FPU返回的类型
NO_CLASS
此class被用来在算法中起初始化的作用。它将被用来进行padding（填充）和empty structure and unions（空结构体和空共用体）
MEMORY
该class包含了在内存中经由stack传递和返回的类型

分类

每一个参数的大小都会被填充为8bit的整数倍

INTEGER class（包含signed和unsigned两种）
- _Bool
- char
- short
- int
- long
- long long
- pointer
SSE class
- float
- double
- _m64
_float128和_m128被分为两部分。The least significant ones belong to class SSE, the most significant one to class SSEUP.
64位参数类型long double的小数部分属于X87 class，16位指数加上6 bits填充的类型属于X87UP class
_int128类型的参数提供同INTEGER一样的操作，但通用寄存器不适用于它们，而是需要两个寄存器。故可以将_int128看成如下的实现：

typedef struct{
    long low,high;        
}_int128;

【注意】：除了存储在内存中且必须在16字节的边界上对齐的__int128类型参数外。

aggregate（structure and array，聚合类型）和union types：
1. 如果对象的大小大于两个8字节，或者为C++中的non-POD structure或union，或者包含unaligned fields（未对齐的域），则以上类型属于MEMERY class
2. 这两个8字节都将被初始化为NO_CLASS class
3. 对象的每一个field（字段）都将进行递归地分类，以便总是考虑两个fields。resulting class按照8字节的field进行计算：
  （1）如果两个classes相等，则此class便是resulting class
  （2）如果一个为NO_CLASS，则resulting class便是另一个class
  （3）如果一个为MEMORY，则结果为MEMORY class
  （4）如果一个为INTEGER，则结果为INTEGER
  （5）如果一个为X87，X87UP class，则结果为MEMORY
  （6）其他class使用SSE

然后进行post merger cleanup（合并后清理）
（1）如果一个class为MEMORY，则整个参数在内存中进行传递
（2）如果SSEUP在SSE之后，则SSEUP将被转化为SSE

Passing

一旦参数被分类，则寄存器便被分配（按照从左到右的顺序），如下所示：

如果class是MEMORY，则将参数传递给stack
如果class为INTEGER,则下一个可用寄存器序列为%rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8以及%r9
如果class为SSE，则下一个可用的SSE寄存器将被使用，顺序为从%xmm0到%xmm7
如果class为SSEUP，则将8字节传递给最近使用的SSE寄存器的高半地址部分
如果class为X87，X87UP，则在内存中进行传递

如果没有可用的寄存器用于8字节的参数，则整个参数将被传递给stack；如果已经给这个参数的某些8字节分配了寄存器，则这些分配将被reverted（还原）

一旦寄存器被分配，则在内存中进行传递的参数将以逆序（即从右到左的顺序）压入stack中

Returning of Values（返回值）

返回值是根据以下算法完成的：

利用classification algorithm（分类算法）对返回值进行区分
如果类型拥有MEMORY class，则caller（调用者）为返回值提供空间，并且将此存储空间作为函数的第一个参数传递给%rdi。实际上，这个地址变成了“隐藏的”第一参数。返回时，%rax将包含caller在%rdi中传入的地址
如果class为INTEGER，则下一个可用的寄存器顺序%rax、%rdx将被使用
如果class为SSE，则下个可用的寄存器序%xmm0、%xmm1将被使用
如果class为SSEUP，则将8字节传递给最近使用的SSE寄存器的高半地址部分
如果class为X87，则在X87 stack的%st0处以80bits大小X87 number的形式返回该值
如果class为X87UP，则该值和前一个X87值在%st0处一同返回
如果class为COMPLEX_87，则该值的real part（实数部分）在%st0处返回，imaginary part（虚数部分）在%st1处返回