汇编学习——iOS开发对arm64汇编的初步了解

汇编学习------iOS开发对arm64汇编的初步了解

文章目录

汇编学习------iOS开发对arm64汇编的初步了解
- 前言
- [栈指令寄存器](#栈指令寄存器)
- - 寄存器
  - 指令
  - - 运算指令
    - 寻址指令
    - [前变基与后变基](#前变基与后变基)
  - 栈
  - - 堆（Heap）内存机制
    - 三、栈（Stack）内存机制
  - [3. 多级调用示例](#3. 多级调用示例)
- 例子
- [ARM64 栈结构示意图（从高地址向低地址生长）](#ARM64 栈结构示意图（从高地址向低地址生长）)
- - - 关键说明：
    - 示例验证（小端序存储）：
- 参考文章

前言

最近也是开始每天都在看源码，其中在阅读源码的过程之中，无论是属性关键字还是消息转发的内容，都多多少少涉及到了关于汇编的内容，看着真是令人头大，本着看了就要看全的精神，于是开始对arm64的汇编进行简单的学习。这篇文章就是对汇编浅尝则止的学习记录

栈指令寄存器

汇编最重要的就是三个部分就是栈指令寄存器，我们从较为复杂的寄存器说起

寄存器

寄存器是 CPU 中的高速存储单元，存取速度比内存快很多。

寄存器	职责
X0	返回值、第一个参数（`self`）
X1-X7	第 2~8 个参数、临时变量（如 Objective-C 方法的选择器 `_cmd` 通常通过 `X1` 传递）
X8	间接返回地址、全局变量偏移、系统调用号（在 Objective-C 中可能用于计算全局变量或类对象的偏移地址）
X9-X15	调用者保存的临时变量
X19-X28	被调用者保存的长期变量
X29 (FP)	栈帧管理、调试支持
X30 (LR)	保存函数调用后的返回地址（如 `bl` 指令跳转时写入）
XZR	清零操作，用于快速清零其他寄存器（如 `mov x0, xzr` 等价于 `x0 = 0`）

注：

x0 - x7 ：用于子程序调用时的参数传递，超过八个会放到栈上传递

x0 和 w0 是同一个寄存器的不同尺寸的区别，x0 为 8 字节，w0 为 4 字节（x0 寄存器的低4字节）， x0/w0 还用于返回值的传递

指令

需要提前知道的就是：在ARM64架构中，栈是向下生长的，换句话来说，栈内存从高地址向低地址方向扩展。具体来说，当数据被压入栈时，栈指针（SP）会减小（指向更低的内存地址）；当数据弹出时，SP会增大（指向更高的内存地址）。这是ARM64与其他架构（如x86）共有的特性。

压栈操作会导致SP减小（如sp = sp - 16），栈顶向低地址方向移动
出栈操作则会使SP增大（如sp = sp + 16），栈顶恢复高地址。

这部分可能有点乱，我们在后面用一个例子的展示一下栈具体的存储结构

运算指令

asm 复制代码

mov    x1，x0         ;将寄存器x0值 赋值 给x1
add    x0，x1，x2     ;x0 = x1 + x2
sub    x0，x1，x2     ;x0 = x1 - x2
mul    x0，x1，x2     ;x0 = x1 * x2
sdiv   x0，x1，x2     ;x0 = x1 / x2;
 
and    x0，x0，#0xF    ;x0 = x0 & #0xF （与操作）
orr    x0，x0，#9      ;x0 = x0 | #9   （或操作）
eor    x0，x0，#0xF    ;x0 = x0 ^ #0xF （异或操作）

寻址指令

寻址指令简单的可以分为 存和取

L开头的就是取： LDR（Load Register）、LDP（Load Pair）

S开头的就是存: STR（Store Register）、STP（Store Pair）

asm 复制代码

ldr    x0,[x1]               ;从 x1 指向的地址里面取出一个64位大小的数存入x0
ldp    x1,x2,[x10, #0x10]    ;从 x10+0x10 指向的地址里面取出2个64位的数，分别存入x1、x2
str    x5,[sp, #24]          ;往内存中写数据（偏移值为正）, 把 x5 的值（64位的数值）存到 sp+24 指向的地址内存上
stur   w0,[x29, #0x8]        ;往内存中写数据（偏移值为负），将 w0 的值存储到 x29 - 0x8 这个地址里
stp    x29,x30,[sp, #-16]!   ;把 x29、x30 的值存到 sp-16 的地址上，并且把sp-=16 后面有个感叹号表示前变基模式
ldp    x29,x30,[sp],#16      ;从 sp 地址取出16 byte数据，分别存入x29、x30,然后 sp+=16

寻址指令的格式

asm 复制代码

mov x0
[x10, #0x10]        ;从 x10+0x10 的地址取值
[sp, #-16]!         ;从 sp-16 地址取值，取完后再把 sp-16 writeback 回 sp
[sp], #16           v从 sp 地址取值，取完后把 sp+16 writeback 回 sp

前变基与后变基

模式	操作顺序	语法示例	应用场景
前变基	1. 先更新基址寄存器 2. 再访问内存	`LDR X0, [X1, #8]!`	函数调用时预留栈空间
后变基	1. 先访问内存 2. 再更新基址寄存器	`LDR X0, [X1], #8`	函数返回时恢复栈指针

栈

关于栈的内容，需要我们复习一下之前学习过的相关内容，就是计算机的内存结构

程序运行的时候，操作系统会给它分配一段内存，用来存储程序和运行产生的数据。这段内存有起始地址和结束地址，比如从 0x1000 到 0x8000，起始地址是较小的那个地址，结束地址是较大的那个地址。

堆（Heap）内存机制

核心特征

分配方式 ：动态申请（malloc/new等）
地址增长：从低位地址向高位地址扩展
生命周期：需手动释放或依赖垃圾回收

分配实例

c 复制代码

// 内存起始地址 0x1000
void* p1 = malloc(10); // 分配 0x1000-0x100A
void* p2 = malloc(22); // 分配 0x100B-0x1020

三、栈（Stack）内存机制

核心特征

分配方式：函数调用自动创建帧（Frame）
地址增长：从高位地址向低位地址扩展
生命周期：函数结束时自动释放

简单来说，栈是由于函数运行而临时占用的内存区域

函数帧结构

c 复制代码

int main() {
    int a = 2;  // ↘ 主函数帧
    int b = 3;  // │ 变量存储区
}               // ↖ 栈顶地址 0x8000

上面的代码中，系统开始执行 main 函数的时，会为它在内存里面建立一个帧（frame），所有 main 的内部变量（比如a和b）都保存在这个帧里面。main 函数执行结束后，该帧就会被回收，释放所有的内部变量，不再占用空间。

3. 多级调用示例

c 复制代码

int test(int x, int y) {   // ↘ 子帧
    return x + y;          // │ 参数/变量存储区
}                          // ↖ 新栈顶 0x7FF0

int main() {               // ↘ 主帧
    test(2, 3);            // │ 返回地址保存区
}                          // ↖ 初始栈顶 0x8000

当我们在main函数之中调用了test函数时，当我们执行这一步，系统就会为了这个test函数创建一个帧，现在栈区就有了两个函数帧，一般调用了多少层的函数就有多少个帧

等到test函数运行结束，它的帧就会被系统自动回收，实现了函数的层层调用。

前面我们说到，arm64架构下的栈时从高位（地址）向低位（地址）分配的，，内存区域的结束地址是 0x8000，第一帧假定是16字节，那么下一次分配的地址就会从0x7FF0开始；第二帧假定需要64字节，那么地址就会移动到0x7FB0。

操作	栈地址范围	剩余空间
主帧分配（16字节）	0x8000 - 0x7FF0	0x7FF0
子帧分配（64字节）	0x7FF0 - 0x7FB0	0x7FB0

例子

objc 复制代码

// hello.c
#include <stdio.h>
int test(int a, int b) {
  int res = a + b;
  return res;
}
int main() {
  int res = test(1, 2);
  return 0;
}

使用clang指令把以上内容编译为arn64代码

asm 复制代码

.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version ios, 13, 2 sdk_version 13, 2
.globl _test                   ; -- Begin function test
.p2align 2
_test:                                  ; @test
.cfi_startproc
; %bb.0:
sub sp, sp, #16             ; =16
.cfi_def_cfa_offset 16
str w0, [sp, #12]
str w1, [sp, #8]
ldr w0, [sp, #12]
ldr w1, [sp, #8]
add w0, w0, w1
str w0, [sp, #4]
ldr w0, [sp, #4]
add sp, sp, #16             ; =16
ret
.cfi_endproc
                                        ; -- End function
.globl _main                   ; -- Begin function main
.p2align 2
_main:                                  ; @main
.cfi_startproc
; %bb.0:
sub sp, sp, #32             ; =32
stp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Spill
add x29, sp, #16            ; =16
.cfi_def_cfa w29, 16
.cfi_offset w30, -8
.cfi_offset w29, -16
stur wzr, [x29, #-4]
orr w0, wzr, #0x1
orr w1, wzr, #0x2
bl _test
str w0, [sp, #8]
mov w0, #0
ldp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Reload
add sp, sp, #32             ; =32
ret
.cfi_endproc
                                        ; -- End function
.subsections_via_symbols

完整如上

.p2align 2 用于指定程序的对齐方式，这类似于结构体的字节对齐，为的是加速程序的执行速度，p2align 的单位是指数，即按照 2 的 n 次方对齐，这里的 .p2align 2 表示按照 2^2 = 4 字节对齐，如果单行指令数据长度不足4字节，将用 0 补全，超过 4 但不是 4 的倍数，则按照最小倍数补全

asm 复制代码

.cfi_startproc    ;定义函数开始
.cfi_endproc      ;定义函数结束

汇编中的如下部分被称为方法头（prologue），用于保存上一个方法调用栈帧的帧头，以及预留部分用于局部变量的栈空间。

复制代码

sub sp, sp, #32             ; =32
stp x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Spill
add x29, sp, #16            ; =16

汇编中的如下部分被称为方法尾（epilogue），用于取出方法头中栈帧信息及方法的返回地址，并将栈恢复到调用前的位置

复制代码

ldp	x29, x30, [sp, #16]     ; 16-byte Folded Reload
add	sp, sp, #32             ; =32
ret

我们先来看看Test函数

asm 复制代码

 //源代码
 int test(int a, int b) {
    int res = a + b;
    return res;
 }
 
 
 //汇编
 sub	sp, sp, #16             ; =16
 .cfi_def_cfa_offset 16
 str	w0, [sp, #12]
 str	w1, [sp, #8]
 ldr	w0, [sp, #12]
 ldr	w1, [sp, #8]
 add	w0, w0, w1
 str	w0, [sp, #4]
 ldr	w0, [sp, #4]
 add	sp, sp, #16             ; =16
 ret

在编译器生成汇编时，会首先计算需要的栈空间大小，并利用 sp （stack pointer）指针指向低地址开辟相应的空间。从 test 函数可以看到这里涉及了3个变量，分别是 a、b、res，int变量占据4个字节，因此需要12个字节，但 ARM64 汇编为了提高访问效率要求按照16字节进行对齐，因此需要16 byte 的空间，也就是需要在栈上开辟16字节的空间

代码的大致意思如下

asm 复制代码

sub sp, sp, #16             ; =16

将栈顶指针下移，即为函数的栈帧扩充空间

asm 复制代码

str w0, [sp, #12]
str w1, [sp, #8]

这2句的意思是，将 w0 存储在 sp+12 的地址指向的空间，w1 存储在 sp+8 存储的空间里，寄存器x0~x7用于子程序调用时的参数传递，按顺序入参。 x0 和 w0 是同一个寄存器的不同尺寸形式，x0为8字节，w0为x0的前4个字节，因此w0是函数的第一个入参a，w1是函数的第二个入参b

接下来 test 函数内部将 a 和 b 进行相加，需要注意的是，只有寄存器才能参与运算，因此接下来的汇编代码又将变量的值从内存中读出来，再进行相加运算。

asm 复制代码

ldr w0, [sp, #12]
ldr w1, [sp, #8]
add w0, w0, w1

为什么需要先存取后取出再操作，这个操作确实多余，是因为汇编没有进行优化的结果，把这个操作体现出来更有利于

ARM64 栈结构示意图（从高地址向低地址生长）

内存地址	存储内容（示例值）	用途说明	备注
0xFFFFFFC0	（未分配，原栈顶）	父函数栈帧	栈初始位置，SP 初始指向此处（高地址）
0xFFFFFFBC	`w0`（参数 a = 0x12345678）	参数存储区（sp + 12）	32 位参数，按小端序存储：`0x78` `0x56` `0x34` `0x12
0xFFFFFFB8	`w1`（参数 b）	参数存储区（sp + 8）	第二个参数，通过 `w1` 传递
0xFFFFFFB4	`w0`（计算结果 c）	临时结果存储（sp + 4）	计算后的 32 位结果，通过 `w0` 返回
0xFFFFFFB0	（填充区，未使用）	16 字节对齐填充	因栈分配需按 16 字节对齐（48 字节或 16 的倍数）
↓ SP 新位置	`SP = 0xFFFFFFB0`	当前函数栈顶（低地址）	通过 `sub sp, sp, #16` 分配空间，栈向低地址生长

关键说明：

栈生长方向：
- 栈从 高地址（0xFFFFFFC0）向低地址（0xFFFFFFB0） 扩展，符合 ARM64 的 满减栈（FD）。
- 每次函数调用会通过 sub sp, sp, #N 分配栈空间，N 必须是 16 的倍数。
数据读写规则：
- 存储指令（str） ：写入时从 低地址向高地址 填充字节（如 0xFFFFFFB4→0xFFFFFFB7）。
- 加载指令（ldr） ：读取时从起始地址（如 sp + 4）连续读取 4 字节，按小端序组合为 32 位值。
对齐与填充：
- 若存储 64 位数据（如 x0），需占用 8 字节且起始地址按 8 字节对齐（如 0xFFFFFFB4 对齐到 0xFFFFFFB0）。
- 未使用的填充区域（如 0xFFFFFFB0）确保栈帧按 16 字节对齐，避免内存访问错误。

示例验证（小端序存储）：

假设 w0 = 0x12345678，存储到 0xFFFFFFB4 后的内存布局：

地址	字节值	说明
0xFFFFFFB4	0x78	最低有效字节 (LSB)
0xFFFFFFB5	0x56
0xFFFFFFB6	0x34
0xFFFFFFB7	0x12	最高有效字节 (MSB)

参考文章

iOS 汇编入门 - arm64基础

汇编学习——iOS开发对arm64汇编的初步了解