可变大小堆栈帧的组装：这些堆栈对齐指令在分配 VLA 时似乎没用？

Question

我正在阅读计算机系统：程序员视角第 3 版，3.10.5 Supporting Variable-Size Stack Frames, Figure 3.43 中的程序集让我感到困惑。

本书的部分试图解释可变大小的堆栈帧是如何生成的，并给出了一个 C 代码及其汇编版本作为示例。

这里是C和汇编的代码（书中图3.43）：

不知道汇编中line 8-10有什么用。为什么不在第 7 行之后使用movq %rsp, %r8？

(a) C 代码

long vframe(long n, long idx, long *q) {
    long i;
    long *p[n];
    p[0] = &i;
    for (i = 1; i < n; i++)
        p[i] = q;
    return *p[idx];
}

(b) 生成的汇编代码部分

vframe:
2:    pushq    %rbp
3:    movq     %rsp, %rbp  
4:    subq     $16, %rsp
5:    leaq     22(, %rdi, 8), %rax      
6:    andq     $-16, %rax       
7:    subq     %rax, %rsp
8:    leaq     7(%rsp), %rax
9:    shrq     $3, %rax
10:   leaq     0(, %rax, 8), %r8
11:   movq     %r8, %rcx
................................
12: L3:
13:   movq     %rdx, (%rcx, %rax, 8)
14:   addq     $1, %rax
15:   movq     %rax, -8(%rbp)
16: L2:
17:   movq     -8(%rbp), %rax
18:   cmpq     %rdi, %rax
19:   jl       L3
20:   leave
21:   ret

这是我的想法：

在第 7 行之后，%rsp 应该是 16 的倍数（%rsp 在调用 vframe 之前应该是 16 的倍数，因为堆栈帧对齐。当调用 vframe 时，%rsp 是减去 8 以保存调用者的返回地址，然后第 2 行中的 pushq 指令将 %rsp 再减去 8，并在第 4 行中减去 16。所以在第 7 行的开头，%rsp 是16的倍数。在第7行中，%rsp减去%rax。由于第6行使%rax成为16的倍数，所以第7行的结果是设置%rsp是16的倍数）这意味着%rsp 的低 4 位全为零。 然后在第 8 行，%rsp+7 存储在 %rax 中，在第 9 行，%rax 逻辑右移 3 位，在第 10 行，%rax*8 存储在 %r8 中。

在第 7 行之后，%rsp 的低 4 位全为零。在第 8 行 %rsp+7 只是使低 3 位全为 1，第 9 行截断这 3 个，在第 10 行 %rax*8 使结果左移 3 位。所以最终的结果应该就是原来的%rsp（第7行的结果）。

所以我想知道第 8-10 行是否没用。

为什么不在第 7 行之后使用 movq %rsp, %r8 并删除原来的第 8-10 行？

Answer 1

我认为一个有用的探索性程序是将您生成的代码减少到：

.globl _vframe
_vframe:
    pushq    %rbp
    movq     %rsp, %rbp  
    subq     $16, %rsp
    leaq     22(, %rdi, 8), %rax      
    andq     $-16, %rax       
    subq     %rax, %rsp
    leaq     7(%rsp), %rax
    shrq     $3, %rax
    leaq     0(, %rax, 8), %r8
    mov %r8, %rax
    sub %rsp, %rax
    leave
    ret

请注意，我只是删除了有用的代码，并返回了 %r8 和 %rsp 之间的差异。 然后写了一个驱动：

extern void *vframe(unsigned long n);


#include <stdio.h>

int main(void) {
    int i;
    for (i = 0; i < (1<<18); i++) {
        void *p = vframe(i);
        if (p) {
            printf("%d %p\n", i, p);
        }
    }
    return 0;
}

检查一下。他们总是一样的。所以为什么？当面对给定的构造（var len 数组）时，它可能是标准代码发射。编译器必须维护某些标准，例如可跟踪的调用框架和对齐，操作系统可能只是将此代码作为已知的解决方案发出。可变长度数组通常被认为是语言中的错误；向 c++ 致敬，为 C 添加了一个半工作半深思熟虑的机制；因此编译器实现者可能不会过多关注代表他们生成的代码。