根据AMD64 ABI，数组是什么C11数据类型

Question

我正在研究在 OSX 上使用的 x86_64 的调用约定，并且正在阅读 the System V x86-64 ABI standard 中名为“聚合和联合”的部分。它提到了数组，我认为这就像一个固定长度的 c 数组，例如int[5].

我继续阅读“3.2.3 参数传递”以了解数组是如何传递的，如果我理解正确，应该在寄存器中传递像 uint8_t[3] 这样的东西，因为它小于规则强加的四个八字节限制1 聚合类型的分类（第 18 页靠近底部）。

编译后我看到它被作为指针传递。 （我在 OSX 10.11.6 上使用 Xcode 7.3.1 中的 clang-703.0.31 进行编译）。

我用来编译的示例源码如下：

#include <stdio.h>

#define type char

extern void doit(const type[3]);
extern void doitt(const type[5]);
extern void doittt(const type[16]);
extern void doitttt(const type[32]);
extern void doittttt(const type[40]);

int main(int argc, const char *argv[]) {
  const char a[3] = { 1, 2, 3 };
  const char b[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
  const char c[16] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 1, 1, 1, 1, 1 };
  const char d[32] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 1, 1, 1, 1, 1 };
  const char e[40] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 };

  doit(a);
  doitt(b);
  doittt(c);
  doitttt(d);
  doittttt(e);
}

我将它转储到一个名为 a.c 的文件中，并使用以下命令进行编译：clang -c a.c -o a.o。我使用 otool 分析生成的程序集（通过运行otool -tV a.o）并得到以下输出：

a.o:
(__TEXT,__text) section
_main:
0000000000000000    pushq   %rbp
0000000000000001    movq    %rsp, %rbp
0000000000000004    subq    $0x10, %rsp
0000000000000008    leaq    _main.a(%rip), %rax
000000000000000f    movl    %edi, -0x4(%rbp)
0000000000000012    movq    %rsi, -0x10(%rbp)
0000000000000016    movq    %rax, %rdi
0000000000000019    callq   _doit
000000000000001e    leaq    _main.b(%rip), %rdi
0000000000000025    callq   _doitt
000000000000002a    leaq    _main.c(%rip), %rdi
0000000000000031    callq   _doittt
0000000000000036    leaq    _main.d(%rip), %rdi
000000000000003d    callq   _doitttt
0000000000000042    leaq    _main.e(%rip), %rdi
0000000000000049    callq   _doittttt
000000000000004e    xorl    %eax, %eax
0000000000000050    addq    $0x10, %rsp
0000000000000054    popq    %rbp
0000000000000055    retq

或者等效地，这里是Godbolt compiler explorer with clang3.7，它针对使用相同 ABI 的 Linux。

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所以，我想知道是否有人可以引导我了解 C11 中的哪些数据类型适用于数组。 （看起来 clang 默认使用 C11 - 请参阅 C99 内联函数下方的简介 here）。

我也对 ARM 进行了类似的调查，发现了类似的结果，尽管 ARM standard 也指定存在数组聚合类型。

另外，在某些标准中是否有规定将固定长度的数组视为指针？

Answer 1

裸数组作为 C 和 C++ 中的函数参数总是衰减为指针，就像在其他几个上下文中一样。

structs 或 unions 内的数组不会，而是按值传递。这就是为什么 ABI 需要关心它们是如何传递的，即使在 C 语言中对于裸数组而言不会发生这种情况。

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作为Keith Thomson points out，C标准的相关部分是N1570 section 6.7.6.3 paragraph 7

将参数声明为“类型数组”应调整为 “类型限定指针”，其中类型限定符（如果有）是 在数组类型派生的 [ 和 ] 中指定的那些... （关于 foo[static 10] 的内容，见下文）

请注意，多维数组作为数组类型的数组工作，因此只有最外层的“array-ness”被转换为指向数组类型的指针。

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术语：x86-64 ABI 文档使用与 ARM 相同的术语，其中structs 和数组是“聚合”（多个元素位于顺序地址）。所以“聚合和​​联合”这个短语出现了很多，因为unions 由语言和 ABI 类似地处理。

处理复合类型（结构/联合/类）的递归规则使 ABI 中的数组传递规则发挥作用。 对于 C 或 C++，这是您看到 asm 将数组作为函数 arg 的一部分复制到堆栈的唯一方法

struct s { int a[8]; };
void ext(struct s byval);

void foo() { struct s tmp = {{0}}; ext(tmp); }

gcc6.1 compiles it (for the AMD64 SysV ABI, with -O3) 到以下地址：

    sub     rsp, 40    # align the stack and leave room for `tmp` even though it's never stored?
    push    0
    push    0
    push    0
    push    0
    call    ext
    add     rsp, 72
    ret

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在 x86-64 ABI 中，按值传递是通过实际复制（到寄存器或堆栈中）发生的，而不是通过隐藏指针。

请注意，当返回值太大而无法容纳 rdx:rax 的 128 位串联时（并且不是在向量 regs 等中返回的向量等）

ABI 可以使用隐藏指针来传递超过一定大小的值对象，并相信被调用函数不会修改原始对象，但这不是 x86-64 ABI 选择做的事情.这在某些情况下会更好（特别是对于低效的 C++，需要大量复制而不修改（即浪费）），但在其他情况下会更糟。

SysV ABI 奖励阅读：正如x86 标签 wiki 指出的那样，当前版本的 ABI 标准并未完整记录编译器所依赖的行为：clang/gcc sign/zero extend narrow args to 32bit。

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请注意，要真正保证函数 arg 是固定大小的数组，C99 and later lets you use the static keyword in a new way：关于数组大小。 （当然，它仍然作为指针传递。这不会改变 ABI）。

void bar(int arr[static 10]);

这允许编译器警告超出范围。如果编译器知道允许访问 C 源代码不允许访问的元素，它还可能实现更好的优化。 （见this blog post）。但是，arg 仍然具有类型 int*，而不是实际的数组，因此是 sizeof(arr) == sizeof(int*)。

The same keyword page for C++表示ISO C++不支持static的这种用法；这是 C 独有的另一个特性，以及 C99 可变长度数组和 C++ 所没有的其他一些优点。

在 C++ 中，您可以使用 std::array<int,10> 来获取传递给调用者的编译时大小信息。但是，如果这是您想要的，您必须手动通过引用传递它，因为它当然只是一个包含int arr[10] 的类。 与 C 风格的数组不同，它不会自动衰减到 T*。

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您链接的 ARM 文档 似乎实际上并未将数组称为聚合类型：第 4.3 节复合类型（讨论对齐）将数组与聚合类型区分开来，尽管它们似乎是聚合定义的一个特例。

复合类型是一个或多个基本数据类型的集合，它们在 过程调用层。复合类型可以是以下任何一种：

• 聚合，其中成员在内存中按顺序排列
• 联合，其中每个成员都有相同的地址
• 数组，它是某种其他类型（其基本类型）的重复序列。

定义是递归的；也就是说，每个类型都可以包含一个复合类型作为成员

“复合”是一个总称，包括数组、结构和联合。