キーワード

C言語, コンパイラ, 引数, 返却値, スタック, スクラッチレジスタ

これだけは覚えよう

• C言語プログラムとアセンブリ言語プログラムをつなげるには、呼出規約を知らないといけない。
• 呼出規約は、コンパイラ毎に変化する。

関数呼出

C言語やPascalなどの高級言語の多くは、関数を作ることができます。ある程度の処理をひとつの関数(手続き)として分離することで、問題を簡単にしたり、使い回ししやすくしたり、コードの見栄えを良くしたりできます。呼び出す側は処理に必要な情報を与え、呼び出された側は渡された情報のみ(※)を用いて処理を行って答えを返します。

プログラムが計算を行うためには、レジスタを使用する必要があります。しかし、呼出元も呼出先もレジスタを使用するので、そのままではレジスタを取り合ってケンカがおきます。これを調停するのが呼出規約です。

呼出規約の中には、次のような決め事があります。

• 関数にはどういう名前をつけるか
• 引数はどうやって渡すか
• 返却値はどうやってもらうか
• 局所変数は誰が用意するか
• 関数呼出し後の後始末は誰がやるか

引数をスタックに積む場合、右から積むか左から積むかも呼出規約のひとつです。ただし、評価順序は仕様で決まっているので常に一定です (argument-expression-list := argument-expression-list, assignment-expression)。

(※) 与えられた情報だけを使って処理を行なうプログラムを、再入可能なプログラムといいます (正確には違うけど)。大域変数などを触ると予想外の動きをすることがあり、周りを混乱の渦に陥れる原因となるので、できる限り与えられた情報だけで仕事をするのが良いとされています。

関数の名前

呼出規約のうち、一番最初に「シンボル名称」の話をしましょう。C言語でvoid func(void);という関数を作ったら、その関数にどういうシンボル名が付くか知ってますか? 多くの場合、次の3つのうちのどれかのパターンになります。

• 関数名/変数名と同じ (例: void func() -> func)
• 関数名/変数名の前に アンダーバー "_" が入る (例: void func() -> _func)
• 関数名/変数名の後になんだかよく分からない文字が大量に並ぶ (例: void func(int) -> func@I4)

シンボル命名規約を簡単に知るには、ダミーの関数を作るのが一番手っ取り早いです。例えば、SuperH用のgccのシンボル命名規約は次の方法で調べることが出来ます。ARMの場合はarm-elf-gccを、V850の場合はv850-nec-elf-gccをsh-hitachi-elf-gccの代わりに起動します。

この結果から、SuperH用のgccは"foo"という関数を作ると"_foo"という名前をつけるのだということがわかります。アセンブリ言語から関数や変数を参照する場合は名称の前に"_"を付ける必要があり、C言語から呼出可能なアセンブリ言語関数を作るには"_"をつける必要があることがわかります (C言語から呼び出すときには"_"はいらない)。

ちなみに、名称の後ろによく分からない文字が並ぶケースは、C++言語を使用するとよく起こります(関数オーバーロードのため)。C++言語からアセンブリ言語の関数を呼ぶ場合や、その逆をしたい場合はextern "C"を付けます。例えば、extern "C" void foo(int);といった感じです。関数オーバーロードは使用できなくなりますが、名称規約がC言語のものになり、単純化されます。

レジスタの種類

多くの場合、引数も返却値もレジスタに積まれます。呼出規約によって、レジスタは次の3種類に分類されます。

これを違う言葉で言い換えると、こうなります。

• 呼び出された側で勝手に使っても良いレジスタ
• 呼び出すときに保存しなくても良いレジスタ
• 上の2つのどっちでもないレジスタ

呼出規約を調べる作業の殆どは、「レジスタを上の分類で分ける作業」になります。これが出来れば殆ど終わったも同然です。

上のレジスタをより細かく分類すると、次のようになります。

• スクラッチレジスタ

  呼び出した先で自由に使って良いレジスタのことです。関数を呼び出す元がこのレジスタを使っている場合、必ず呼出元の責任でこの内容を保存しなくてはなりません。呼出元退避レジスタ(Caller saved register)全体を指すこともあります。

• アーギュメントレジスタ (引数レジスタ)

  関数に引数を渡すときに使うレジスタです。レジスタに乗り切らない場合はスタックに積まれます。このレジスタもスクラッチレジスタと同じように、呼出元の責任で値を退避する必要があり、呼出先は自由に使用することが出来ます。

• フレームポインタ

  スタックフレームを保存するレジスタです (スタックフレームが何かを知りたい人はinfoを読んでください)。スタック上に積まれた引数を参照する際に使用します。このレジスタは、プロセッサやコンパイラによって、呼出元 or 呼出先のどちらが用意すべきかが変化します。基本的にユーザプログラムから変更してはなりません。暴走します。

• スタックポインタ

  言わずと知れたスタックポインタです。

• リターンアーギュメントレジスタ (返却値レジスタ)

  関数の結果(返却値)を格納するレジスタです。構造体やレジスタに載せきらない返却値の場合は、コンパイラやプロセッサによって動作が異なります。スタックの最上位に載せておく方法や、返却値レジスタに返却値を格納しているアドレスを返却する方法などがあります。

• リンクレジスタ (呼出元アドレスレジスタ)

  リターンアドレスレジスタとも言います。関数を実行した後に戻る番地を格納するレジスタです。このレジスタは、呼出元が退避する必要があります。中で関数を呼び出さない関数はこのレジスタを退避する必要はありませんが、プロセッサによってはデバッグ目的などのために退避するものもあります。戻り番地はスタックフレームを構成する情報の一つです。

呼び出し方、戻り方

• 引数の積み方

  関数に引数を渡す方法は、大きく分けて「スタック全積みタイプ」と「レジスタ積みタイプ」の2種類があります(名称は独自のもの)。

  スタック全積みタイプは、引数として与えられた値の全てをスタックに格納するやり方です。Windows上のCプログラムはこの方式です (_cdecl, _stdcall)。積む際にも、最左から積むか最右から積むかも呼出規約で決めます。

  レジスタ積みタイプは、レジスタに乗るサイズのものはレジスタを介して渡し、レジスタ長よりも大きいものや引数の数が多く溢れた場合はスタックに載せる方法です。多くの場合、最左から順にレジスタに載せ、載らない物は最右からスタックに積みます。Visual C++も_fastcallを指定するとこの方式になります。組込みプロセッサのほとんどはこの方式です。

• 呼出元へと戻る方法

  呼出先が関数としての実行を終えた後は呼出元に戻る必要があります。このとき、どのような命令で戻るかも呼出規約の一部です。

  ほとんどの場合は復帰命令というありがたい命令があるので、それを使えば終わりです。ARMプロセッサのように復帰命令を持たないRISC系プロセッサの場合は、呼出元アドレスがどこに格納されているかや、どのような命令で戻るべきなのかを調べる必要があります。

• スタックに積んだ引数は誰がおろす?

  関数を呼び出すためにスタックを使用する場合があります。例えば、引数の数が非常に多くてレジスタに載せきらない場合や、戻り番地をスタックに積むようなプロセッサの場合がこれに当てはまります。このようなプロセッサの場合、スタックを戻すのがどちらの責任なのかも呼出規約によって定める必要があります。

  例えばVisual C++ (Intel x86)の場合、呼出元が積んだスタック上の引数を開放するのは呼出先の責任です。

参考資料