输出HELLO WORLD——如何编译通用的函数调用表达式

Liutos

这篇的东西比较多。

首先要处理一下inside-out/auxinside-out这两个函数。之前的inside-out/aux其实一直不支持对progn的处理,需要先补充;而inside-out则可以优化一下,避免在只有一个表达式的情况下,也用progn将其包裹起来。修改后的inside-out/auxinside-out分别如下

(defun inside-out/aux (expr result)
  "将嵌套的表达式EXPR由内而外地翻出来"
  (check-type expr list)
  ;; 出于简单起见,暂时只处理加法运算
  (cond ((member (first expr) '(+ - * / _exit > exit))
         (let ((operands '()))
           ;; 对参数列表中的所有表达式都递归地进行【外翻】处理
           (dolist (arg (rest expr))
             (if (listp arg)
                 (let ((var (gensym)))
                   (setf result (inside-out/aux arg result))
                   (let ((val (pop result)))
                     (push `(setq ,var ,val) result)
                     (push var operands)))
                 (push arg operands)))
           (push (cons (first expr) (nreverse operands)) result)
           result))
        ((eq (first expr) 'if)
         (push `(if ,(inside-out (second expr))
                    ,(inside-out (third expr))
                    ,(inside-out (fourth expr)))
               result)
         result)
        ((eq (first expr) 'progn)
         (dolist (e (rest expr))
           (push (inside-out e) result))
         result)
        (t
         (push expr result)
         result)))

(defun inside-out (expr)
  (let ((forms (nreverse (inside-out/aux expr '()))))
    (if (> (length forms) 1)
        (cons 'progn forms)
        (car forms))))

实际上可以更进一步:inside-out/auxinside-out大可以合并到一起,结果如下

(defun inside-out (expr)
  "将嵌套的表达式EXPR由内而外地翻出来"
  (check-type expr list)
  (cond ((eq (first expr) 'if)
         `(if ,(inside-out (second expr))
              ,(inside-out (third expr))
              ,(inside-out (fourth expr))))
        ((eq (first expr) 'progn)
         (cons 'progn
               (mapcar #'inside-out (rest expr))))
        (t
         (let ((assignments '())
               (operands '()))
           ;; 对参数列表中的所有表达式都递归地进行【外翻】处理
           (dolist (arg (rest expr))
             (if (listp arg)
                 (let ((val (inside-out arg))
                       (var (gensym)))
                   (push `(setq ,var ,val) assignments)
                   (push var operands))
                 (push arg operands)))
           (if (null assignments)
               expr
               `(progn
                  ,@(nreverse assignments)
                  (,(first expr) ,@(nreverse operands))))))))

好了,接下来才是本文的重点:如何编译所有的函数调用表达式。

尽管我在上面夸下海口,说要编译“所有”的函数调用表达式,但事实上,现在我还做不到——我只能把所有的函数调用表达式,都映射到对C标准库中的函数的调用。因此,如果想要调用C标准库中的putchar函数,那么必须写下如下的代码

(|_putchar| #.(char-code #\A))

这里用了双竖线的语法来确保这个符号的symbol-name是全小写的putchar,开始的下划线是因为在macOS中,调用C函数的时候必须要加上这个前缀的下划线。#.是个Common Lisp中的reader macro,可以让后面的表达式在读取期被求值,这样我就不需要手写字母A的code-point啦——好吧,是在炫技。

要编译这种函数调用表达式,只需要模仿一下此前对_exit的处理就可以啦。首先,是求值函数调用表达式中的各个参数,然后将它们放入恰当的位置中——有的要放入寄存器中,有的要压栈。作为一个野路子的编译器爱好者,我当然是没有正儿八经地看过牙膏厂或者按摩店出品的ABI手册的,我看的是这一份资料:https://www3.nd.edu/~dthain/c...

所以我了解到的是:

  • 前六个参数,分别要从左到右地依次放入RDIRSIRDXRCXR8,以及R9这些寄存器中的;
  • 剩下的参数,通通压栈

然后由于macOS的任性要求,在调用前还需要将RSP寄存器对齐到16字节的内存地址。我在这里折腾了很久,最后才发现,原来我要在函数调用结束之后,把修改过的RSP寄存器恢复原状才行_(:з」∠)_

所以,这一部分的代码是这样子的(精简了一下)

(defun jjcc2 (expr globals)
  "支持两个数的四则运算的编译器"
  (check-type globals hash-table)
  (cond (t ;; 这里省却了很多其它情况下的代码,欢迎读者自行脑补
         ;; 按照这里(https://www3.nd.edu/~dthain/courses/cse40243/fall2015/intel-intro.html)所给的函数调用约定来传递参数
         (let ((instructions '())
               (registers '(%rdi %rsi %rdx %rcx %r8 %r9)))
           (dotimes (i (length (rest expr)))
             (if (nth i registers)
                 (push `(movq ,(get-operand expr i) ,(nth i registers)) instructions)
                 (push `(pushq ,(get-operand expr i)) instructions)))
           ;; 经过一番尝试后,我发现必须在完成函数调用后恢复RSP寄存器才不会导致段错误
           `(,@(nreverse instructions)
             (pushq %rsp)
             (and ,(format nil "$0x~X" #XFFFFFFFFFFFFFFF0) %rsp)
             (call ,(first expr))
             (popq %rsp))))))

先用pushqRSP保存起来,待call指令结束返回之后,再popq出来恢复它XD

到这里为止,就可以来写经典的Hello World了,代码如下

(fb `(progn ,@(mapcar #'(lambda (c) `(|_putchar| ,(char-code c))) (coerce "Hello, world!" 'list)) (_exit 0)))

生成的汇编代码如下

        .data
        .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
        .globl _main
_main:
        MOVQ $72, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $101, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $108, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $108, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $111, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $44, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $32, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $119, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $111, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $114, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $108, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $100, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVQ $33, %RDI
        PUSHQ %RSP
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _putchar
        POPQ %RSP
        MOVL $0, %EDI
        AND $0xFFFFFFFFFFFFFFF0, %RSP
        CALL _exit

使用GAS编译上述代码,并借助gcc链接后,运行它就可以看到Hello, world!

全文完

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