[시스템 프로그래밍] 어셈블리어[4] - 프로시저

 

 

 

 

 

🧐 프로시저의 실행

프로시저는 지정된 인자들과 리턴 값으로 특정 기능을 구현하는 코드를 감싸주는 방법을 제공합니다.

 

예를 들어 프로시저 P가 프로시저 Q를 호출한 뒤,

Q가 실행된 후 다시 P로 리턴된다고 가정하겠습니다.

즉 다음과 같은 형식입니다.

Q() {
    F();
}

 

 

프로시저를 기계어 수준에서 지원하기 위해 처리되어야 하는 여러 특성들이 존재합니다.

제어권의 전달 :
프로그램 카운터(PC)는 Q에 진입할 때, Q에 대한 코드의 시작주소로 설정됩니다.
리턴하는 경우 P에서 Q를 호출한 후 진행되오야 할 다음 인스트럭션으로 설정되어야 합니다.

데이터 전달:
P는 여러개의 매개변수를 Q에 제공할 수 있어야 합니다.
Q는 P에게 하나의 값을 리턴할 수 있어야 합니다.

메모리 할당과 반납:
Q는 시작할 때 지역변수들을 위한 공간을 할당할 수도 있고,
리턴할 때 할당된 공간을 반납하여야 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 런타임 스택

C언어를 포함한 부분의 언어에서의 프로시저 호출 동작방식의 주요 특징은, 스택 자료구조가 제공하는 후입선출(LIFO) 메모리 관리 방식을 활용할 수 있다는 점입니다.

 

Q가 실행되는 동안에는 자신의 지역변수를 위한 새로운 저장공간을 할당할 수 있는 능력이나,

다른 프로시저로의 호출을 설정하는 능력만을 필요로 합니다.

 

또한 Q가 리턴되는 경우에는 자신이 할당받은 로컬 저장장소를 반납할 수 있어야 합니다.

 

 

따라서 프로그램은 스택을 사용해서 프로시저들이 요구하는 저장장소를 관리할 수 있으며,

여기서 스택과 프로그램 레지스터들은 제어와 데이터를 전송하기 위해 그리고 메모리를 할당하기 위해 필요한 정보를 저장합니다.

 

 

 

 

 

 

⭐️ 스택의 구조

대부분의 경우 스택은 작은 주소 방향으로 성장합니다.

스택 포인터 %rsp는 가장 작은 스택 주소(= 스택의 top)을 가리킵니다.

 

데이터는 이곳에서 살펴보았던 pushq와 popq 인스트럭션을 이용해서 스택에 저장되고 읽어올 수 있습니다.

 

특정 값으로 초기화되지 않은 데이터를 위한 공간은, 스택 포인터를 적당히 감소시키는 것을 통해 할당할 수 있습니다.

유사하게 할당받은 공간은 스택 포인터를 단순히 증가시키는 것만으로도 반납할 수 있습니다.

 

일반적인 스택의 구조

 

x86-64 프로시저가 레지스터들에 저장할 수 있는 개수 이상의 저장공간을 필요로 하는 경우에는 위의 그림처럼 스택에 공간을 할당합니다.

이 영역을 해당 프로시저의 스택 프레임(활성화 레코드)이라고 부릅니다.

 

현재 프로시저에 대한 프레임은 항상 스택의 맨 위( = top, 가장 낮은 주소(낮은 방향으로 성장하므로))에 위치합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 매개변수(데이터)의 전달

P에서 호출된 Q에 대한 코드는, 현재 스택 경계를 확장해서 자신의 스택 프레임을 위한 공간을 할당합니다.

이 공간 내에서 레지스터 값들을 저장하고, 지역변수들을 위한 공간을 할당하며, 자신이 호출하는 프로시저들을 위한 인자들을 설정할 수 있습니다. 

 

대부분의 프로시저의 스택 프레임들은 프로시저가 시작될 때 할당되는 고정 크기를 갖습니다.

그러나 일부 프로시저는 가변크기 프레임을 필요로 하는데, 이와 관련해서는 이후 살펴보도록 하겠습니다.

 

프로시적 P는 최대 여섯 개의 인자들을 레지스터로 전송할 수 있지만, 만일 Q가 더 많은 인자를 요구한다면

P는 Q를 호출하기 전에 자신의 스택 프레임 내부(리턴 주소 바로 윗부분)에 인자들을 저장한 후 Q를 호출합니다.

 

전달될 수 있는 6개의 레지스터들은, 전달되는 데이터 형의 바이트 크기에 따라 레지스터 이름을 이용해서 정해진 순서로 이용됩니다.

순서는 다음과 같습니다.

피연산자 크기 (bits)	인자 번호
	1	2	3	4	5	6
64	%rdi	%rsi	%rdx	%rcx	%r8	%r9
32	%edi	%esi	%edx	%ecx	%r8d	%r9d
16	%di	%si	%dx	%cx	%r8w	%r9w
8	%dil	%sil	%dl	%cl	%r8b	%r9b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 제어의 이동 - call 과 ret

⭐️ call

제어를 함수 P에서 Q로 전달하는 것은 단순히 프로그램 카운터를 Q의 시작 인스트럭션으로 설정하는 것과 관련됩니다.

이후 Q가 리턴해야 할 때가 오면 프로세서(CPU)는 P의 실행을 다시 시작해야 하는 코드 위치에 대한 정보를 가지고 있어야 합니다.

 

해당 정보는 x86-64 기계에서는 call Q 인스트럭션을 사용하여 Q를 호출하는 동시에 리턴 주소를 기록합니다.

 

해당 인스트럭션은 return address A를 스택에 push한 뒤, PC를 Q의 시작 인스트럭션의 주소로 설정합니다.

이때 return address는 P에서 call 바로 다음에 존재하는 인스트럭션의 주소로 계산됩니다.

 

call 인스트럭션은 호출된 프로시저가 시작하는 인스트럭션의 주소를 목적지로 갖습니다.

점프와 유사하게 인스트럭션은 직접 점프 혹은 간접 점프 형태를 가집니다.

 

어셈블리 코드에서 직접 점프의 목적니는 레이블로 주어지는 반면에,

간접 점프의 목적지는 *와 주소지정형식을 통해 설정됩니다.

 

 

 

⭐️ ret

call에 대응하는 인스트럭션 ret 은 주소 A를 스택에서 pop한 뒤, PC를 A로 세팅합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 레지스터 보관 관습

프로그램 레지스터들은 모든 프로시저들이 공유하는 단일 자원의 역할을 합니다.

비록 하나의 순간에서 하나의 프로시저만이 활성화될 수 있지만,

하나의 프로시저(호출자, Caller)가 다른 프로시저(피호출자, Callee)를 호출할 때,

피호출자는 호출자가 나중에 사용하여야 할 일부 레지스터 값을 덮어쓰면 안됩니다.

 

이 때문에 x86-64는 라이브러리에 있는 프로시저들을 포함한 모든 프로시저들이 준수해야 할 통일된 일련의 레지스터 사용관습을 체택하고 있습니다.

 

 

 

⭐️ 호출자 보관 레지스터 (Caller Saved)

레지스터 %rax, %rdi,%rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9, %r10, %r11은 호출자 보관 레지스터로 구분합니다.

이들은 피호출자에 의해 변경될 수 있음을 의미합니다.

따라서 호출자에서 위 레지스터들을 프로시저 호출 후에도 계속 사용해야 한다면, 호출자에서 해당 레지스터들을 보관한 위 프로시저를 호출해야 합니다.

 

 

 

 

⭐️ 피호출자 저장 레지스터 (Callee Saved)

레지스터 %rbx, %rbp, %r12 - %r15는 피호출자 저장 레지스터로 구분합니다.

프로시저 P가 Q를 호출하는 경우,

Q가 리턴되는 순간에 해당 레지스터들의 값들을 Q가 호출되었을때의 값들과 동일하게 보장해주어야 합니다.

 

프로시저 Q는 이러한 레지스터들의 값들을 절대 변경하지 않거나, 

내부에서 사용해야 하는 경우 원래의 값을 스택에 푸시해둔 후 이 값을 변경하여 사용한 뒤 리턴 전에 스택에서 이전 값을 팝해오는 방식으로 레지스터를 보존합니다.

 

 

 

 

⭐️ 스택 포인터 레지스터 (%rsp)

항상 스택의 top을 가리키는 일종의 피호출자 저장 형태의 레지스터입니다.

프로시저 리턴 시에 원래값으로 복원됩니다.