昔、基本情報処理試験の教科書や 「プログラムはなぜ動くのか」 で、「プログラムは、CPU がスタックとヒープに書き込み・読み込みながら動く」みたいなことを習った記憶があります。 先週末これが本当なのか気になってCompiler Explorerという面白いサイトを教えてもらったこともありアセンブリの解読をしていたのですが、なぜかうまく stack が使われないケースばかり出会いました。 そこで stack に積ませるための試行錯誤します。 言語は Rust を選択し、アセンブリは Compiler Explorer で確認します。
スタックを使う
スタックはなぜプログラムの実行に必要なのか
これは関数呼び出しのときに、引数を呼び出し先から取り出せるようにするため、処理を呼び出し元に戻すために必要となります。スタックに積んでおけばスタックから取り出すだけで（※実際にはスタックポインタから位置を逆算したりするので少しめんどくさいが）関数は引数を受け取れるし、呼び出し元の次の命令のアドレスを入れておけば、関数終了時に続きの処理を再開できます。このようにスタックに積む・取り出すだけで、関数呼び出しを実現できるのはスタックのいいところです。文字だけの説明だとわかりづらいかもしれないですが、https://vanya.jp.net/os/x86call/がとても良かったので気になる方は読んでみてください。
関数を呼び出してみる
と言うわけで呼び出し元や引数がスタックに積まれるのかアセンブリを読んで確かめてみましょう。
次のコードを Compiler Explorer に食わせてみます。
pub fn caller() -> u8 {
st(1, 2)
}
pub fn st(a: u8, b: u8) -> u8 {
a + b
}その結果は、
example::caller:
mov al, 3
ret
example::st:
lea eax, [rsi + rdi]
retとして出力されます。
すでに計算されてしまっていますね。 これは 出力結果がシンプルなことから分かる通り、これは rustc の opt level を 2 に設定しています。 では、次に 0 、つまりデバッグ用の開発ビルドの結果を見てみます。
example::caller:
push rax
mov edi, 1
mov esi, 2
call qword ptr [rip + example::st@GOTPCREL]
mov byte ptr [rsp + 7], al
mov al, byte ptr [rsp + 7]
pop rcx
ret
example::st:
push rax
mov cl, sil
mov al, dil
add al, cl
mov byte ptr [rsp + 7], al
setb al
test al, 1
jne .LBB1_2
mov al, byte ptr [rsp + 7]
pop rcx
ret
.LBB1_2:
lea rdi, [rip + str.0]
lea rdx, [rip + .L__unnamed_1]
mov rax, qword ptr [rip + core::panicking::panic@GOTPCREL]
mov esi, 28
call rax
ud2
.L__unnamed_2:
.ascii "/app/example.rs"
.L__unnamed_1:
.quad .L__unnamed_2
.asciz "\017\000\000\000\000\000\000\000\006\000\000\000\005\000\000"
str.0:
.ascii "attempt to add with overflow"
__rustc_debug_gdb_scripts_section__:
.asciz "\001gdb_load_rust_pretty_printers.py"先頭に push rax が入っていますが、引数をレジスタに割り当てる前に呼ばれていることから、もしかしたら rax に呼び出し元が入っていると想定して呼んでくれているのでしょうか。
本来であれば関数の呼び出し元に戻すためには call の次の命令のアドレスを push されるべきですがそれはされていません。
そもそも引数をスタックに積めていないので、どちらにせよ教科書的な動きをしていません。
汎用レジスタの数以上の stack を積んでみる
example::caller:
push rax
mov edi, 1
mov esi, 2
call qword ptr [rip + example::st@GOTPCREL]
mov byte ptr [rsp + 7], al
mov al, byte ptr [rsp + 7]
pop rcx
retをみていると、引数の引き渡しにスタックではなくレジスタを使ってそうなので、汎用レジスタの数以上の引数を渡してみましょう。
pub fn many_args(
a: u8,
aa: u8,
aaa: u8,
aaaa: u8,
aaaaa: u8,
aaaaaa: u8,
aaaaaaa: u8,
aaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
) -> u8 {
a + aa
+ aaa
+ aaaa
+ aaaaa
+ aaaaaa
+ aaaaaaa
+ aaaaaaaa
+ aaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaa
}これはレジスタに入りきらないだろうと言うことで、結果をみてみると、
example::many_args:
lea eax, [rsi + rdi]
add al, dl
add al, cl
add al, r8b
add al, r9b
add al, byte ptr [rsp + 8]
add al, byte ptr [rsp + 16]
add al, byte ptr [rsp + 24]
add al, byte ptr [rsp + 32]
add al, byte ptr [rsp + 40]
add al, byte ptr [rsp + 48]
add al, byte ptr [rsp + 56]
add al, byte ptr [rsp + 64]
add al, byte ptr [rsp + 72]
add al, byte ptr [rsp + 80]
add al, byte ptr [rsp + 88]
add al, byte ptr [rsp + 96]
retダメでした。
スタックポインタを読み出してはいるのですが、スタックに積んでいるところは見えません。 これは Rust の呼び出し規約の問題ではと言う指摘を頂いたのでいま調べています。
Rust を使っているからダメなのか？
C でならいけると思って試してみましたが、これもダメでした。
http://asp.mi.hama-med.ac.jp/comp-basic/memory/ という 2005 年のサイトでは、
main()
{
int x = 10;
x = foo(x);
}
int foo(int x)
{
return x * 10;
}
が
main:
C10 sub sp, 1
C11 mov *sp, 10
C12 push *sp
C13 call foo
C14 add sp, 1
C15 mov *sp, ax
C16 add sp, 1
C17 ret
foo:
C20 mov ax, *(sp + 1)
C21 mul ax, 10;
C22 retとなり、すくなくとも呼び出し元はスタックに積んでくれるようですが、これを Compiler Explorer に食わせると
main: # @main
push RBP
mov RBP, RSP
sub RSP, 16
mov DWORD PTR [RBP - 4], 0
mov DWORD PTR [RBP - 8], 10
mov EDI, DWORD PTR [RBP - 8]
mov AL, 0
call foo
mov DWORD PTR [RBP - 8], EAX
mov EAX, DWORD PTR [RBP - 4]
add RSP, 16
pop RBP
ret
foo: # @foo
mov DWORD PTR [RSP - 4], EDI
imul EAX, DWORD PTR [RSP - 4], 10
retとなりました。
ただこれもベースポインタをスタックに積んでいること、スタックポインタを直接引き算していること、そして関数から抜ける時には足した分だけスタックポインタを足し戻していることから、push を使わずにスタックを触っていそうではあります。
Compiler Explorer にある gcc はほとんどが 64bit 向けてそこそこ新しいもの揃いで、賢いのだと思います。 古いコンパイラを手に入れないと教科書にあるような挙動は再現できなさそうで諦めました。
ポインタを経由させる
しかし教科書的には引数はスタックに積まれるはずなのです。 そのことを識者に聞いてみると「ポインタを経由させればいいんじゃない？」とのことでした。 たしかになんか上手くいきそうな雰囲気を感じました。 Rust ですぐに使えるポインタはと考えると、スマートポインタである Box が使えそうです。 というわけで引数を Box で包んで計算してみましょう。
pub fn dynamic(a: Box<u8>, b: Box<u8>) -> u8 {
*a + *b
}example::dynamic:
push r15
push r14
push rbx
mov rax, rsi
mov r14, rdi
mov bl, byte ptr [rsi]
add bl, byte ptr [rdi]
mov r15, qword ptr [rip + __rust_dealloc@GOTPCREL]
mov esi, 1
mov edx, 1
mov rdi, rax
call r15
mov esi, 1
mov edx, 1
mov rdi, r14
call r15
mov eax, ebx
pop rbx
pop r14
pop r15
retと言う風に出力されました。汎用レジスタ r15, r14 の値をスタックに積んでいます。これは呼び出し元が r15, r14 に事前に引数を入れておいてくれると教科書通りの動きをしそうではあります。 （https://docs.oracle.com/cd/E19205-01/821-2492/gituv/index.html を読むと、一応は汎用レジスタのようです。）
めでたしめでたし？
まとめると
よくわからん。現実のコンパイラ、教科書と全然違う。
番外編
割り算を挟むとスタックに積ませられる
pub fn many_args(
a: u8,
aa: u8,
aaa: u8,
aaaa: u8,
aaaaa: u8,
aaaaaa: u8,
aaaaaaa: u8,
aaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa: u8,
) -> u8 {
a + aa
+ aaa
+ aaaa
+ aaaaa
+ aaaaaa
+ aaaaaaa
+ aaaaaaaa
+ aaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaa
/ aaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
+ aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
}example::many_args:
push rbp
push r15
push r14
push r13
push r12
push rbx
push rax
mov bl, byte ptr [rsp + 112]
test bl, bl
je .LBB0_2
mov r15b, byte ptr [rsp + 176]
mov r12b, byte ptr [rsp + 168]
mov r13b, byte ptr [rsp + 160]
mov r14b, byte ptr [rsp + 152]
mov bpl, byte ptr [rsp + 144]
mov r11b, byte ptr [rsp + 136]
mov r10b, byte ptr [rsp + 128]
add dil, sil
add dil, dl
add dil, cl
add dil, r8b
add dil, r9b
add dil, byte ptr [rsp + 64]
add dil, byte ptr [rsp + 72]
add dil, byte ptr [rsp + 80]
add dil, byte ptr [rsp + 88]
add dil, byte ptr [rsp + 96]
mov cl, byte ptr [rsp + 120]
movzx eax, byte ptr [rsp + 104]
div bl
add dil, cl
add dil, r10b
add dil, r11b
add dil, bpl
add dil, r14b
add dil, r13b
add dil, r12b
add dil, r15b
add dil, byte ptr [rsp + 184]
add dil, byte ptr [rsp + 192]
add dil, byte ptr [rsp + 200]
add dil, byte ptr [rsp + 208]
add al, dil
add rsp, 8
pop rbx
pop r12
pop r13
pop r14
pop r15
pop rbp
ret
.LBB0_2:
lea rdi, [rip + str.0]
lea rdx, [rip + .L__unnamed_1]
mov esi, 25
call qword ptr [rip + core::panicking::panic@GOTPCREL]
ud2
.L__unnamed_2:
.ascii "/app/example.rs"
.L__unnamed_1:
.quad .L__unnamed_2
.asciz "\017\000\000\000\000\000\000\000&\000\000\000\013\000\000"
str.0:
.ascii "attempt to divide by zero"理由は知らない