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子曰:“兴于诗,立于礼,成于乐。” 《论语》:泰伯篇

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百篇博客系列篇.本篇为:

v23.xx 鸿蒙内核源码分析(汇编传参篇) | 如何传递复杂的参数

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硬件架构相关篇为:

公众号: 鸿蒙内核源码分析

汇编如何传复杂的参数?

汇编基础篇 中很详细的介绍了一段具有代表性很经典的汇编代码,有循环,有判断,有运算,有多级函数调用。但有一个问题没有涉及,就是很复杂的参数如何处理? 在实际开发过程中函数参数往往是很复杂的参数,(比如结构体)汇编怎么传递呢? 先看一段C语言及汇编代码,传递一个稍微复杂的参数来说明汇编传参的过程

#include <stdio.h>
#include <math.h>
struct reg{//参数远超寄存器数量
    int Rn[100]; 
    int pc;
};

int framePoint(reg cpu)
{
    return cpu.Rn[0] * cpu.pc;
}

int main()
{
    reg cpu;
    cpu.Rn[0] = 1;
    cpu.pc = 2;
    return framePoint(cpu);
}
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//编译器: armv7-a gcc (9.2.1)
framePoint(reg):
        sub     sp, sp, #16     @申请栈空间
        str     fp, [sp, #-4]!  @保护main函数栈帧,等同于push {fp}
        add     fp, sp, #0      @fp变成framePoint栈帧,同时也指向了栈顶
        add     ip, fp, #4      @定位到入栈口,让4个参数依次入栈 
        stm     ip, {r0, r1, r2, r3}@r0-r3入栈保存
        ldr     r3, [fp, #4]    @取值cpu.pc = 2    
        ldr     r2, [fp, #404]  @取值cpu.Rn[0] = 1
        mul     r3, r2, r3      @cpu.Rn[0] * cpu.pc
        mov     r0, r3          @返回值由r0保存
        add     sp, fp, #0      @重置sp,和add     fp, sp, #0配套出现
        ldr     fp, [sp], #4    @恢复main函数栈帧
        add     sp, sp, #16     @归还栈空间,sp回落到main函数栈顶位置
        bx      lr              @跳回main函数
main:
        push    {fp, lr}        @入栈保存调用函数现场                     
        add     fp, sp, #4      @fp指向sp+4,即main栈帧的底部
        sub     sp, sp, #800    @分配800个线性地址,即main栈帧的顶部
        mov     r3, #1          @r3 = 1
        str     r3, [fp, #-408] @将1放置 fp-408处,即:cpu.Rn[0]处
        mov     r3, #2          @r3 = 2
        str     r3, [fp, #-8]   @将2放置 fp-8处,即:cpu.pc
        mov     r0, sp          @r0 = sp
        sub     r3, fp, #392    @r3 = fp - 392
        mov     r2, #388        @只拷贝388,剩下4个由寄存器传参
        mov     r1, r3          @保存由r1保存r3,用于memcpy
        bl      memcpy          @拷贝结构体部分内容,将r1的内容拷贝r2的数量到r0
        sub     r3, fp, #408    @定位到结构体剩余未拷贝处
        ldm     r3, {r0, r1, r2, r3} @将剩余结构体内容通过寄存器传参
        bl      framePoint(reg)         @执行framePoint
        mov     r3, r0          @返回值给r3
        nop @用于程序指令的对齐
        mov     r0, r3          @再将返回值给r0
        sub     sp, fp, #4      @恢复SP值
        pop     {fp, lr}        @出栈恢复调用函数现场
        bx      lr              @跳回调用函数
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两个函数对应两段汇编,干净利落,去除中间各项干扰,只有一个结构体reg,以下详细讲解如何传递它,以及它在栈中的数据变化是怎样的?

入参方式

结构体总共101个栈空间(一个栈空间单位四个字节),对应就是404个线性地址. main上来就申请了 sub sp, sp, #800 @申请800个线性地址给main,即 200个栈空间

int main()
{
    reg cpu;
    cpu.Rn[0] = 1;
    cpu.pc = 2;
    return framePoint(cpu);
}
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但main函数只有一个变量,只需101个栈空间,其他都算上也用不了200个.为什么要这么做呢? 而且注意下里面的数字 388, 408, 392 这些都是什么意思? 看完main汇编能得到一个结论是 200个栈空间中除了存放了main函数本身的变量外 ,还存放了要传递给framePoint函数的部分参数值,存放了多少个?答案是 388/4 = 97个. 注意变量没有共用,而是拷贝了一部份出来.如何拷贝的?继续看

memcpy汇编调用

        mov     r0, sp          @r0 = sp
        sub     r3, fp, #392    @r3 = fp - 392
        mov     r2, #388        @只拷贝388,剩下4个由寄存器传参
        mov     r1, r3          @保存由r1保存r3,用于memcpy
        bl      memcpy          @拷贝结构体部分内容,将r1的内容拷贝r2的数量到r0
        sub     r3, fp, #408    @定位到结构体剩余未拷贝处
        ldm     r3, {r0, r1, r2, r3} @将剩余结构体内容通过寄存器传参
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看这段汇编拷贝,意思是从r1开始位置拷贝r2数量的数据到r0的位置,注意只拷贝了 388个,也就是 388/4 = 97个栈空间.剩余的4个通过寄存器传的参数.ldm代表从fp-408的位置将内存地址的值连续的给r0 - r3寄存器,即位置(fp-396,fp-400,fp-404,fp-408)的值. 执行下来的结果就是

r3 = fp-408, r2 = fp-404 ,r1 = fp-400 ,r0 = fp-396 得到虚拟地址的值,这些值整好是memcpy没有拷贝到变量剩余的值
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逐句分析 framePoint

framePoint(reg):
        sub     sp, sp, #16     @申请栈空间
        str     fp, [sp, #-4]!  @保护main函数栈帧,等同于push {fp}
        add     fp, sp, #0      @fp变成framePoint栈帧,同时也指向了栈顶
        add     ip, fp, #4      @定位到入栈口,让4个参数依次入栈 
        stm     ip, {r0, r1, r2, r3}@r0-r3入栈保存
        ldr     r3, [fp, #4]    @取值cpu.pc = 2    
        ldr     r2, [fp, #404]  @取值cpu.Rn[0] = 1
        mul     r3, r2, r3      @cpu.Rn[0] * cpu.pc
        mov     r0, r3          @返回值由r0保存
        add     sp, fp, #0      @重置sp,和add     fp, sp, #0配套出现
        ldr     fp, [sp], #4    @恢复main函数栈帧
        add     sp, sp, #16     @归还栈空间,sp回落到main函数栈顶位置
        bx      lr              @跳回main函数
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framePoint申请了4个栈空间目的是用来存放四个寄存器值的,以上汇编代码逐句分析.

第一句: sub     sp, sp, #16     @申请栈空间,用来存放r0-r3四个参数

第二句: str     fp, [sp, #-4]!  @保护main的fp,等同于push {fp},为什么这里要把main函数的fp放到 [sp, #-4]! 位置,注意 !号,表示SP的位置要变动,因为这里必须要保证参数的连续性.

第三句: add     fp, sp, #0      @指定framePoint的栈帧位置,同时指向了栈顶 SP

第四句: add     ip, fp, #4      @很关键,用了ip寄存器,因为此时 fp sp 都已经确定了,但别忘了 r0 - r3 还没有入栈呢.从哪个位置入栈呢, fp+4位置,因为 main函数的栈帧已经入栈了,在已经fp的位置.中间隔了四个空位,就是给 r0-r3留的.

第五句: stm     ip, {r0, r1, r2, r3}@r0-r3入栈,填满了剩下的四个空位.

第六句: ldr     r3, [fp, #4]    @取的就是cpu.pc = 2的值,因为上一句就是从这里依次入栈的,最后一个当然就是cpu.pc了.

第七句: ldr     r2, [fp, #404]  @取值cpu.Rn[0] = 1,其实这一句已经是跳到了main函数的栈帧取值了,所以看明白了没有,并不是在传统意义上理解的在framePoint的栈帧中取值.

第八句: mul     r3, r2, r3      @cpu.Rn[0] * cpu.pc 做乘法运算

第九句: mov     r0, r3          @返回值r0保存运算结构, 目的是return

第十句: add sp, fp, #0          @重置sp,其实这一句可以优化掉,因为此时sp = fp

第十一句: ldr     fp, [sp], #4  @恢复fp,等同于pop {fp},因为函数运行完了,需要回到main函数了,所以要拿到main的栈帧

第十二句: add     sp, sp, #16   @归还栈空间,等于把四个入参抹掉了.

最后一句: bx      lr            @跳回main函数,如此 fp 和 lr 寄存器中保存的都是 main函数的信息,就可以安全着陆了.
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总结

因为寄存器数量有限,所以只能通过这种方式来传递大的参数,想想也只能在main函数栈中保存大部分参数,同时又必须确保数据的连续性,好像也只能用这种办法了,一部分通过寄存器传,一部分通过拷贝的方式倒是挺有意思的.

百篇博客分析.深挖内核地基

  • 给鸿蒙内核源码加注释过程中,整理出以下文章。内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了。 😛
  • 与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,v**.xx 代表文章序号和修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。

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