为什么使用 push/pop 而不是 sub 和 mov？

Question

当我在https://godbolt.org 上使用不同的编译器时，我注意到编译器生成这样的代码是很常见的：

push    rax
push    rbx
push    rcx
call    rdx
pop     rcx
pop     rbx
pop     rax

我知道每个push 或pop 做两件事：

1. 将操作数移入/移出堆栈空间
2. 递增/递减堆栈指针 (rsp)

所以在我们上面的例子中，我假设 CPU 实际上正在执行 12 次操作（6 次移动，6 次加/减），不包括 call。组合添加/订阅不是更有效吗？例如：

sub rsp, 24
mov [rsp-24], rax
mov [rsp-16], rbx
mov [rsp-8], rcx
call    rdx
mov rcx, [rsp-8]
mov rbx, [rsp-16]
mov rax, [rsp-24]
add rsp, 24

现在只有 8 个操作（6 个移动，2 个加/减），不包括 call。为什么编译器不使用这种方法？

Answer 1

如果您使用-mtune=pentium3 或早于-mtune=pentium-m 的东西进行编译，GCC 将像您想象的那样进行代码生成，因为在那些旧 CPU 上，push/pop 确实会解码为单独的 ALU堆栈指针上的操作以及加载/存储。 （您必须使用 -m32 或 -march=nocona（64 位 P4 Prescott），因为这些旧 CPU 也不支持 x86-64）。 Why does gcc use movl instead of push to pass function args?

但是 Pentium-M 在前端引入了一个“堆栈引擎”，它消除了诸如 push/call/ret/pop 等堆栈操作的堆栈调整部分。它有效地以零延迟重命名堆栈指针。见Agner Fog's microarch guide和What is the stack engine in the Sandybridge microarchitecture?

一般趋势是，现有二进制文件中广泛使用的任何指令都会促使 CPU 设计人员加快速度。例如，Pentium 4 试图让所有人停止使用 INC/DEC；那没有用； current CPUs do partial-flag renaming better than ever。现代 x86 晶体管和功率预算可以支持这种复杂性，至少对于大核 CPU（不是 Atom / Silvermont）。不幸的是，我认为对于 sqrtss 或 cvtsi2ss 等指令的错误依赖关系（在目的地上）没有任何希望。

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在add rsp, 8 等指令中显式使用堆栈指针需要 Intel CPU 中的堆栈引擎插入一个同步 uop 以更新无序后端寄存器的值。如果内部偏移量太大，则相同。

事实上，pop dummy_register 在现代 CPU 上比add rsp, 8 或add esp,4 效率更多，因此编译器通常会使用默认调整或@987654337 来弹出一个堆栈槽@ 例如。 Why does this function push RAX to the stack as the first operation?

另见What C/C++ compiler can use push pop instructions for creating local variables, instead of just increasing esp once? re: 使用push 来初始化堆栈上的局部变量，而不是sub rsp, n / mov。在某些情况下，这可能是一种胜利，尤其是对于具有小值的代码大小，但编译器不会这样做。

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另外，不，GCC / clang 不会生成与您显示的代码完全的代码。

如果他们需要在函数调用周围保存寄存器，他们通常会在内存中使用mov。或者 mov 到他们保存在函数顶部的调用保留寄存器，并将在最后恢复。

除了传递堆栈参数之外，我从未见过 GCC 或 clang 在函数调用之前推送多个调用破坏寄存器。之后绝对不会多次弹出以恢复到相同（或不同）的寄存器中。函数内部的溢出/重新加载通常使用 mov。这避免了循环内推/弹出的可能性（将堆栈参数传递给call 除外），并允许编译器进行分支，而不必担心将推与弹出匹配。它还降低了堆栈展开元数据的复杂性，该元数据必须为每条移动 RSP 的指令都有一个条目。 （使用 RBP 作为传统帧指针时，指令计数与元数据和代码大小之间的有趣权衡。）

类似的东西你的代码生成可以通过调用保留寄存器 + 一些 reg-reg 在一个小函数中移动，该函数只是调用另一个函数，然后返回一个 __int128 这是一个函数arg 在寄存器中。因此需要保存传入的 RSI:RDI，以便在 RDX:RAX 中返回。

或者，如果您在非内联函数调用之后存储到全局或通过指针，编译器还需要将函数 args 保存到调用之后。