了解堆栈对齐强制

Question

考虑以下 C 代码：

#include <stdint.h>

void func(void) {
   uint32_t var = 0;
   return;
}

GCC 4.7.2 为上述代码生成的未优化（即：-O0 选项）汇编代码为：

func:
    pushl %ebp
    movl %esp, %ebp
    subl $16, %esp
    movl $0, -4(%ebp)
    nop
    leave
    ret

根据System V ABI的堆栈对齐要求，堆栈必须在每条call指令之前对齐16个字节（堆栈边界 默认为 16 个字节，当不使用选项 -mpreferred-stack-boundary 更改时）。因此，ESP 模 16 的结果在函数调用之前必须为零。

考虑到这些堆栈对齐要求，我假设在执行 leave 指令之前的以下堆栈状态表示是正确的：

Size (bytes)       Stack          ESP mod 16      Description
-----------------------------------------------------------------------------------

             |     . . .      |             
             ------------------........0          at func call
         4   | return address |
             ------------------.......12          at func entry
         4   |   saved EBP    |
     ---->   ------------------........8          EBP is pointing at this address
     |   4   |      var       |
     |       ------------------........4
 16  |       |                |
     |  12   |                |
     |       |                |
     ---->   ------------------........8          after allocating 16 bytes

考虑到堆栈的这种表示，有两点让我感到困惑：

1. var 显然没有在堆栈上对齐到 16 个字节。这个问题似乎与我从in this answer 到this question 阅读的内容相矛盾（重点是我自己的）：

   -mpreferred-stack-boundary=n，其中编译器尝试将堆栈上的项目保持对齐到 2^n。

   在我的情况下，-mpreferred-stack-boundary 没有提供，因此根据this section of GCC's documentation，它默认设置为 4（即：2^4=16 字节边界）（我确实得到了与-mpreferred-stack-boundary=4 相同的结果） .

2. 在堆栈上分配 16 个字节（即：subl $16, %esp 指令）而不是仅分配 8 个字节的目的：在分配 16 个字节后，堆栈既没有按 16 个字节对齐，也没有节省任何内存空间。通过仅分配 8 个字节，堆栈将对齐 16 个字节，不会浪费额外的 8 个字节。

Answer 1

查看-O0 生成的机器代码通常是徒劳的。编译器将以最简单的方式发出任何工作。这通常会导致奇怪的伪影。

堆栈对齐仅指堆栈帧的对齐。它与堆栈上对象的对齐方式没有直接关系。 GCC 将分配具有所需对齐的堆栈对象。如果 GCC 知道堆栈帧已经提供了足够的对齐，这会更简单，但如果没有，GCC 将使用帧指针并执行显式对齐。

Answer 2

这个答案旨在进一步发展上面写的一些cmet。

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首先，基于Margaret Bloom的comment，考虑对原贴的func()函数进行如下修改：

#include <stdint.h>

void bar(void);    

void func(void) {
   uint32_t var = 0;
   bar(); // <--- function call
   return;
}

与原来的func() 函数不同，重新定义的函数包含对bar() 的函数调用。

这次生成的汇编代码是：

func:
    pushl %ebp
    movl %esp, %ebp
    subl $24, %esp
    movl $0, -12(%ebp)
    call bar
    nop
    leave
    ret

请注意，指令 subl $24, %esp 确实将堆栈对齐 16 个字节（原始 func() 函数中的 subl $16, %esp 指令没有）。

由于重新定义的 func() 现在包含一个函数调用（即：call bar），因此在执行 call 指令之前，堆栈必须对齐 16 个字节。之前的func()根本没有调用任何函数，因此栈不需要16字节对齐。

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很明显，至少必须在堆栈上为var 变量分配4 个字节。需要分配 4 个额外字节才能将堆栈对齐 16 个字节。

有人可能会问为什么要分配 24 字节为了对齐堆栈，而只分配 8 字节 就可以了。嗯，通过解释Ped7g的comment的一部分，这个问题也得到了回答：

另外请记住，C 编译器没有义务以任何指标生成最佳代码，包括堆栈空间使用情况。虽然它会努力（并且在 godbolt 上使用 gcc 4.7.2 看起来不错，垃圾空间只是对齐的结果），但如果它失败并分配比实际需要多 16B 的垃圾，则没有语言破坏问题（尤其是在未优化的代码中）。