c - x64 帧指针应该指向哪里，为什么指向？ ( Windows x64 ABI)

Question

我一直在阅读关于 Windows x64 ABI 的一长串非常好的文章。这些文章的一个非常次要的方面是帧指针的描述。一般要点是，由于 Windows x64 调用堆栈规则非常严格，因此通常不需要专用的帧指针，尽管它是可选的。

我一直注意到的一个异常(exception)是 alloca()用于在堆栈上动态分配内存。这样做的函数显然需要一个帧指针。例如，引用 Microsoft 关于 "Stack Allocation" 的文档(斜体和粗体由我添加):

If space is dynamically allocated (alloca) in a function, then a nonvolatile register must be used as a frame pointer to mark the base of the fixed part of the stack and that register must be saved and initialized in the prolog. Note that when alloca is used, calls to the same callee from the same caller may have different home addresses for their register parameters.

为此，Microsoft 的 x64 ABI alloca() documentation神秘地补充道:

_alloca is required to be 16-byte aligned and additionally required to use a frame pointer.

首先，为什么必须使用它？我假设调用堆栈在异常时展开，但我还没有找到令人满意的解释。

下一个问题:它必须指向哪里？在上面两个引文的第一个中，它说它“必须”用于标记“堆栈的固定部分”的基础。什么是“堆栈的固定部分”？我得到的印象是，在给定的框架中，该术语表示包含的地址范围(从高地址到低地址):

• 调用方返回地址(如果您认为它是当前函数框架的一部分)；
• 函数序言保存非 volatile 寄存器的地址；和
• 存储局部变量的地址。

同样，对于这个“固定部分”，我还没有找到一个令人满意的定义。 "Stack Allocation"我链接到上面的页面包含下图以及“如果使用，堆栈指针将通常指向此处”的字样:

This very nifty blog post同样含糊不清，包括一个说明帧指针“指向此处某处”的图表，其中“此处”是保存的非 volatile 寄存器和本地地址。

最后一点神秘，来自 Microsoft 的 MSDN 文章，标题为 "Dynamic Parameter Stack Area Construction" ，其中仅包含:

If a frame pointer is used, the option exists to dynamically create the parameter stack area. This is not currently done in the x64 compiler.

“一般”是什么意思？ “这里的某处”在哪里？存在的选项是什么？有规则吗？谁在乎？

或者，tl;dr:如标题所问。感谢接受任何包含带注释程序集的答案。

Answer 1

该图清楚地表明，帧指针指向本地堆栈帧固定部分的底部。 “固定部分”是大小不变且位置相对于初始堆栈指针固定的部分。在图中，它被标记为“局部变量和保存的非 volatile 寄存器”。[1]

帧指针的精确位置对操作系统来说无关紧要，因为从信息论的角度来看，局部变量与 alloca 在进入函数时立即分配的内存没有区别.

void function1()
{
  int a;
  int *b = (int*)alloca(sizeof(int));
  ...
}

void function2()
{
  int& a = *(int*)alloca(sizeof(int));
  int *b = (int*)alloca(sizeof(int));
  ...
}

操作系统无法区分这两个函数。它们都将 a 存储在非 volatile 寄存器正下方的堆栈中。

这种等价性就是为什么图中说“一般”。在实践中，编译器将它指向指示的位置，但理论上它们可以将它指向本地帧内的任何位置，只要从帧指针到返回地址的距离是一个常量。

该函数需要通知操作系统帧指针在哪里，以便在异常处理期间可以展开堆栈。没有这些信息，就不可能遍历堆栈，因为框架是可变大小的。

[1] 你可以从文本上说帧指针指向“堆栈固定部分的基址”和图表上说“帧指针通常会指向这里”这一事实中推断出这一点，它是指向局部变量和保存的非 volatile 寄存器的基址。假设文本和图表一致，这意味着堆栈的固定部分与局部变量和保存的非 volatile 寄存器相同。这与您每天都在不知不觉中做出的相同类型的推论。例如，如果一个故事说

Sally called out to her brother. "Billy, where are you?"

可以推断比利是莎莉的弟弟。