06 · 过程调用、栈与 ABI

来源：第 6 讲 pp.4～75；小班第 6 讲；教材 §3.7；2025 阶段卷第 15～17 题。

调用要完成三件事#

传递控制：保存返回位置并进入被调用者；传递数据：参数、返回值；管理存储：局部变量、跨调用保存值、栈帧分配与回收。ABI（应用二进制接口）规定不同编译模块如何在二进制层面配合，包括调用约定、类型大小/对齐、寄存器保存、对象文件与链接等。

call/ret 的硬件行为来自 ISA；“第一个参数放 rdi”是 ABI 约定，不是 call 指令固有的强制功能。改变约定需要调用者、被调用者、库、编译器和调试/展开信息协同。

栈的方向与四条指令#

栈向低地址增长，rsp 指向当前栈顶。普通 64 位 push/pop 每次改变 8 字节。

对 pushq %rsp、popq %rsp 之类特殊目的/源不能仅按普通寄存器例子机械替换：push 压入的是原 rsp；pop 到 rsp 时最终 rsp 取栈中弹出的值。内存目的含 rsp 时也需要按指令规定的求址时序分析。

pop 不会主动清零旧内存，只是移走栈顶。栈帧没有 C 层面可持久引用的寿命，返回后使用局部变量地址无效，即使原字节暂时还在。

一次调用的地址跟踪#

假设地址 0x400644 的 call 长 5 字节，执行前 rsp=0x110。执行后 rsp=0x108，M8[0x108]=0x400649，RIP 为目标函数入口。目标的 ret 执行后 rsp=0x110，RIP=0x400649。

小端展开返回地址 0x400649 的 8 字节是 49 06 40 00 00 00 00 00。返回地址不是 call 自身地址，也不是目标函数地址。若题目列出若干 push/sub，逐条累计后再确定偏移。

System V AMD64 参数与返回值#

参数类型与布局还可能要求更强的对齐；聚合类型按 ABI 分类，不适用“一切前六个都按一个整数参数算”。整数与浮点有各自的分配序列，例如 f(long a,double b,long c,float d) 分别在 rdi、xmm0、rsi、xmm1。

caller-saved / callee-saved#

System V 下 XMM 通常为调用者保存。没有要求“每个函数必须把所有寄存器都保存一次”；只保存实际需要维护的值。rbp 可作帧指针，也可以在省略帧指针时当普通的 callee-saved 寄存器。

例如第三个参数 dest 在 rdx，而调用另一个函数可能破坏 rdx：可以先 push rbx 保存调用者的旧 rbx，再把 dest 放 rbx，call 后经 rbx 写回结果，最后 pop 恢复。callee-saved 不表示值永不变化，而是跨调用边界的约定值能保持。

栈帧与局部存储#

常见传统序言和尾声：

pushq %rbp
movq %rsp, %rbp
subq $32, %rsp          # 局部区/对齐
# 局部对象在 rbp 的负偏移，返回地址通常在 8(%rbp)
leave                  # mov rbp,rsp; pop rbp 的效果
ret

不是所有函数都有该形式。叶函数可能完全不分配栈；System V 用户态允许使用 rsp 以下的 128 字节 red zone，适合不跨调用保存的临时数据。内核、Windows 等环境不可直接套用。动态长度数组或 alloca 可能需要运行时计算栈空间并对齐。

局部量放内存的常见原因：取地址、数组/结构体存储、寄存器不足、跨调用保留。优化可能消除对象或传播常量，因此源代码变量与栈槽不存在永远一一对应关系。

递归：每一层有什么不同#

每个递归调用都有自身返回地址与需要保留的局部状态。硬件不需要“递归专用指令”，普通 call/ret、栈与编译器约定已经足够。递归深度、总调用次数和同时存活的帧数不同。

unsigned long count(unsigned long x) {
    if (x == 0) return 0;
    return (x & 1) + count(x >> 1);
}

当前层的 x&1 必须在递归调用之后仍可获得：可放 callee-saved 寄存器或栈。返回时再加到子调用的返回值。若最高 1 位在第 k 位（0 起算），不优化时非零层有 k+1 层，再加 x=0 的基例层；按是否计基例说明答案。

带两个递归子调用的组合数程序总调用次数可能很大，但栈同时只保存一条尚未返回的路径。尾调用若被优化为跳转，帧数又可能变化；考试按给定汇编追踪。

聚合类型传参与返回#

小结构体可能按一个或两个 eightbyte 分类到整数寄存器或 XMM；大的或被分类为 MEMORY 的返回对象通常由 caller 提供缓冲区地址作为隐藏参数。常见 MEMORY 返回约定：调用时目标地址在 rdi，返回时 rax 也给出该地址；显式整数参数位置相应后移。不是所有结构体返回都使用隐藏指针。 这也是 2024 期中选择题第 7 题发生歧义的原因。

ABI 对比（小班拓展）#

Windows x64 普通整数参数主要使用 rcx、rdx、r8、r9；前四个位置对应浮点参数使用相应 XMM 槽位，caller 预留 32 字节 shadow space。其保存寄存器和 System V 不同，不能把 Linux 表直接套用。IA-32 常见 cdecl 主要栈传参、eax 返回，caller 清理参数；stdcall/fastcall 等又有差异，“32 位 Windows/Linux 只存在一个约定”不成立。详见 Microsoft x64 调用约定。

自检#

能逐条画出 call/push/pop/ret 前后的 rsp、返回地址和数据；能识别每个参数；能解释为什么用 rbx 保留指针；能区分栈帧数量与调用次数；能说明某个变量是否需要有地址。第 6 讲作业合并到第 7 讲。