6.3. 函数调用约定

函数调用约定主要规定函数调用时参数如何传递、返回值如何返回。5.2节已经说明哪些寄存器可用于传递参数，哪些寄存器可保存返回值，但这些规则还需要进一步细化。例如，参数数量超过寄存器个数时如何处理，结构体参数如何传递，参数列表同时包含整型、浮点数和结构体时应遵循什么规则等。本节将逐项说明。

6.3.1. 函数参数传递

LoongArch ABI规定，基本数据类型作为函数参数时，使用的寄存器和传递方式会随参数数量和参数类型变化。常见情况如下。

  1. 标量作为参数传递

在计算机语言中，标量指不可继续分解的量，对应C语言中的基本数据类型和指针。按照LoongArch ABI，标量参数传递规则如下。

  • 当一个标量位宽不超过XLEN，或一个浮点实数参数不超过FLEN时，使用单个参数寄存器传递；如果没有可用参数寄存器，则通过栈传递。

  • 当一个标量位宽超过XLEN但不超过2×XLEN时，可以使用一对参数寄存器传递。低XLEN位放在编号较小的寄存器中，高XLEN位放在编号较大的寄存器中；如果没有可用参数寄存器，则整个标量通过栈传递；如果只剩一个寄存器可用，则低XLEN位通过寄存器传递，高XLEN位通过栈传递。

  • 如果一个标量宽度大于2×XLEN，则通过引用传递，并在参数列表中用地址替代该参数。通过引用传递的实参可以被被调用方修改。

XLEN表示ABI中的整型寄存器宽度。LP32 ABI中XLEN=32位；LPX32/LP64 ABI中XLEN=64位。FLEN表示ABI中的浮点寄存器宽度，对于LP32、LPX32、LP64 ABI，FLEN均为64位。

常见的标量参数序列及其使用寄存器情况

表5-5的参数列表中，n表示整型数据类型（包括C语言中的byte、short、int、long），s表示单精度浮点数（float），d表示双精度浮点数（double）。n1,n2,n3分别表示第1、第2、第3个整型参数。

从表5-5可以归纳出基本传参规则：如果实参全是整型，则依次使用整型参数寄存器a0~a7，第1个参数用a0，第2个参数用a1，依此类推，如种类1所示；如果实参全是浮点数，包括单精度和双精度，则依次使用浮点参数寄存器fa0~fa7，如种类2所示；如果整型参数寄存器不够，剩余参数通过函数栈传递，如种类3所示；如果参数列表同时包含整数和浮点数，则分别顺序使用a0~a7和fa0~fa7，如种类4所示；如果浮点参数寄存器不足，而整型参数寄存器仍有空余，则剩余浮点参数可使用整型参数寄存器传递，如种类5所示。若所有参数寄存器都已用完，则通过函数栈传递。这种情况较少见，表5-5未单独列出。

下面通过几个小例子说明。

【例5.1】 整型和指针类型参数传递

ret = strncmp("Hello","Hello World", 5);

被调用函数strncmp有3个实参：两个字符串和一个整数。对应的参数结构和寄存器值如图5-2所示。

整型和指针类型参数结构和寄存器值

【例5.2】 当实参多于8个整型或指针时，将利用函数栈来传递剩余的参数

C语言函数声明和调用语句如下：

int test1(int v0,int v1,int v2,int v3,int v4,int v5, int v6,int v7,int v8,int v9);
test1(0,1,2,3,4,5,6,7,8,9);

被调用函数test1需要接收10个整型（int）参数。按照LoongArch整型寄存器使用约定，a0~a7传递前8个参数0~7，后两个参数8、9只能通过函数栈传递。对应的参数结构和寄存器值如图5-3所示。

8个参数的整型参数结构和寄存器值

注意，这里的sp表示调用者（Caller）函数的栈指针。

【例5.3】 浮点数类型参数的传递

C语言函数声明和调用语句如下：

double fadd(double v1,double v2);
fadd(2.50,5.00);

被调用函数fadd的实参是2个浮点数。其参数结构和寄存器值如图5-4所示。

浮点数类型参数结构和寄存器值

【例5.4】 超过8个浮点数类型参数的传递

下面的C语言函数声明和调用语句包含10个浮点参数：

float ftest(float v1,float v2,float v3,float v4,float v5,float v6,float v7,float v8,float v9,float v10);
ftest(0.10,1.10,2.10,3.10,4.10,5.10,6.10,7.10,8.10,9.10);

被调用函数ftest的实参是10个浮点数。其参数结构和寄存器值如图5-5所示。

超过8个浮点数类型参数结构和寄存器值

该示例说明，在LoongArch ABI中，当浮点参数寄存器不足而整型参数寄存器仍有剩余时，剩余浮点参数可以通过整型参数寄存器传递。

【例5.5】 __int128类型参数传递（标量等于2×XLEN示例）

使用C++语言函数声明和调用语句如下：

#include <bits/stdc++.h>
void test(__int128 x);
test(0x2221111111111111111);

C++支持128位整型__int128。在LA64架构下，它的位宽等于2×XLEN，因此调用函数test时需要使用2个寄存器传递该参数。其参数结构和寄存器值如图5-6所示。

标量宽度等于2xXLEN的参数结构和寄存器值

标量位宽等于2×XLEN的情况并不少见。例如，在LA32架构下，寄存器宽度为32位（4字节），而C语言long long长度为64位（8字节）；在LA32和LA64架构下，浮点寄存器宽度均为64位（8字节），而long double长度为128位（16字节）。

  1. 聚合体作为参数传递

聚合体与标量相对，指由一个或多个标量组合而成的数据对象，可对应C语言中的结构体、数组等。按照LoongArch ABI，聚合体参数传递规则如下。

  • 如果一个聚合体宽度不超过XLEN位，则可以通过寄存器传递，并且它在寄存器中的字段布局与在内存中的字段布局一致；如果没有可用寄存器，则通过栈传递。

  • 如果一个聚合体宽度超过XLEN但不超过2×XLEN位，则可以通过一对寄存器传递。若只有一个寄存器可用，则聚合体前半部分通过寄存器传递，后半部分通过栈传递；若没有可用寄存器，则整个聚合体通过栈传递。由填充产生的未使用位，以及从聚合体末尾到下一个对齐位置之间的位，取值均未定义。

  • 如果一个聚合体宽度大于2×XLEN位，则通过引用传递，并在参数列表中替换为地址。传递到栈上的聚合体会按类型对齐和XLEN中的较大值对齐，但不超过栈对齐要求。

LoongArch ABI规定位域（Bitfield）按小端顺序排列。跨越其整型类型对齐边界的位域，会从下一个对齐边界开始存放。

对于空结构体（Struct）、联合体（Union）参数或返回值，C编译器会将它们视为非标准扩展并忽略；C++编译器则要求这些类型必须是已分配大小的类型（Sized Type）。

例如，在龙芯64位处理器（XLEN=8）上的C程序中，结构体作为实参时，如果大小等于8字节或16字节，结构体成员会展开到一个或两个参数寄存器中传递，这也称为值传递；如果结构体大于16字节，则把结构体数据存入函数栈，并通过参数寄存器传递其栈位置地址，这也称为引用传递。通过引用传递的实参可以被被调用方修改。

【例5.6】 小于2×XLEN的结构体作为参数传递

struct things{
	char v1;
	int v2;
	int v3;
} = {'a',14,256};
void fun(things);

这里被调用函数fun的实参是结构体things，结构体大小为12字节。其参数结构和寄存器值如图5-7所示。

小于2×XLEN的结构体参数结构和寄存器值

【例5.7】 大于2×XLEN的结构体作为参数传递

struct things{
	char v1;
	int v2;
	int v3;
	long v4;
} = {'a',14,256,6792};
void fun(things);

被调用函数fun的实参仍是结构体things。由于自然对齐要求，结构体大小变为24字节。在LA64架构下，该大小超过2×XLEN，因此只能通过栈传递结构体本体，并通过参数寄存器传递该结构体的起始地址，也就是结构体指针。对应的参数结构和寄存器值如图5-8所示。

大于2×XLEN的结构体参数结构和寄存器值

当结构体中包含浮点数时，ABI约定与前述规则类似。如果结构体只包含一个浮点实数，则传递方式与单独的浮点实数参数相同。如果结构体只包含两个浮点实数，且二者都不超过FLEN位宽，并且至少有两个浮点参数寄存器可用（寄存器不要求对齐或成对），则该结构体通过两个浮点寄存器传递；否则，按整型调用规范传递。如果结构体只包含一个浮点复数，则传递方式与只包含两个浮点实数的结构体相同，该规则也适用于浮点复数参数。如果结构体只包含一个浮点实数和一个整型（或位域），无论二者顺序如何，只要整型不超过XLEN位宽且未扩展至XLEN位、浮点实数不超过FLEN位宽，并且至少有一个浮点参数寄存器和一个整型参数寄存器可用，就通过一个浮点寄存器和一个整型寄存器传递；否则，按整型调用规范传递。

【例5.8】 结构体位域排列方式示例

struct {int x:10; int y:12;} b1;
struct {short x:10; short y:12;} b2;

这两个结构体最终大小都是32位，但内部数据布局不同。结构体b1中，x位于[0:9]，y位于[10:21]，高位[22:31]未定义。结构体b2中，x位于[0:9]，y位于[16:27]，[28:31]和[10:15]未定义。具体如图5-9所示。

结构体中的数据存放方式

  1. 可变参数的传递

LoongArch ABI规定，在基本整型调用规范中，可变参数的传递方式与命名参数相同，但存在一个例外：如果某个可变参数需要2×XLEN位对齐，且大小不超过2×XLEN位，则通过一对对齐的寄存器传递，例如寄存器对中的第一个寄存器应为偶数；如果没有可用寄存器，则通过栈传递。一旦某个可变参数开始通过栈传递，后续所有参数也都通过栈传递，即使最后一个参数寄存器可能因对齐寄存器对规则而未被使用。

6.3.2. 函数返回值传递

函数返回值可以是整型、指针、浮点数（单精度或双精度）、结构体（枚举类型归为结构体），也可以没有返回值（void）。LoongArch ABI对返回值传递的规定如下。

  • 当函数没有返回值时，不需要处理返回寄存器。

  • 当返回类型为整型或指针时，返回值放在整型寄存器v0中。

  • 当返回类型为浮点数（单精度或双精度）时，返回值放在浮点寄存器fv0中；当返回类型为long double时，返回值放在fv0和fv1中。

  • 当返回类型为结构体（或枚举类型）时，需要继续根据结构体成员细分：若返回类型是包含一个或两个float或double成员的结构体，fv0保存第一个成员，fv1保存第二个成员（如果有）；若返回类型是包含一个或两个整型成员的结构体，v0保存第一个成员，v1保存第二个成员（如果有）；若返回类型大于16字节，则通过引用方式返回。

下面通过几个例子说明。

【例5.9】 返回值类型为int

int fun(){
	return 100;
}

函数fun返回int类型，返回值100放入v0即可，如图5-10所示。

int类型返回值和寄存器使用

【例5.10】 返回值类型为long double

long double func(){
	return 3.1415l;
}

函数func返回long double类型，长度为16字节，因此需要fv0和fv1两个寄存器共同保存返回值，如图5-11所示。

long double类型返回值和寄存器使用

【例5.11】 返回值类型为结构体

typedef struct{
	char v1;
	int v2;
	long v3;
}Things;
Things fun(...);

函数fun的返回类型是结构体Things。该结构体包含v1、v2和v3三个成员，且大小不超过16字节。返回时使用v0和v1保存结构体数据，如图5-12所示。

小于16字节的结构体返回值和寄存器使用

如果结构体大于16字节，则通过引用方式返回数据。C语言示例如下：

typedef struct{
	char v1;
	int v2;
	long v3;
	long v4;
}Things;
Things fun(...);

此时结构体Things增加了成员v4，大小超过16字节。返回时使用v0保存结构体数据的地址引用，如图5-13所示。

大于16字节的结构体返回值和寄存器使用