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输出HELLO-WORLD如何编译通用的函数调用表达式

jiezi

这篇的东西比较多。

首先要处理一下 inside-out/aux 和inside-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/aux 和inside-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/aux和 inside-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 RDI、RSI、RDX、RCX、R8，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 pushq 把RSP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! 了

全文完

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