返回 x86-64 结构体：寄存器和 MEMORY ABI

x86-64系统V ABI中返回值的处理机制

在System V ABI规范下，x86-64编译器使用 rax 和 rdx 寄存器来返回前两个整型值。对于结构体，需遵循分类规则：小尺寸结构体归为 INTEGER，大尺寸则归为 MEMORY。这决定了返回值是直接传递，还是通过传入 rdi 的隐藏指针方式返回。

我们先看一个最简单的返回 int 类型的例子：

one_plus_one():
  mov DWORD PTR [rbp-4], 2
  mov eax, DWORD PTR [rbp-4]
  ret

值被加载到 eax（即 rax 的低32位）。对于64位类型，则直接使用完整的 rax 寄存器。

小型结构体（≤16字节）：寄存器返回

小于等于16字节的小型结构体可直接通过 rax 和 rdx 返回。以一个16字节的结构体为例：

struct nums {
    std::int64_t first{};
    std::int64_t second{};
};
nums construct() {
    nums ret{10, 120};
    return ret;
}

生成的汇编代码如下：

construct():
  mov QWORD PTR [rbp-16], 10
  mov QWORD PTR [rbp-8], 120
  mov rax, QWORD PTR [rbp-16]
  mov rdx, QWORD PTR [rbp-8]
  ret

字段按顺序排列：first 存入 rax，second 存入 rdx。内存布局采用小端序，栈向下增长。

• INTEGER分类：最多容纳两个64位字段，可直接放入寄存器。
• 对齐要求：字段必须对齐至8字节边界。
• 限制条件：总大小不得超过16字节，否则无法直接返回。

大型结构体：通过 rdi 传递隐藏地址

超过16字节的结构体被归类为 MEMORY。调用方需预先分配内存，并将地址作为隐藏的第一个参数传入 rdi。

示例：一个32字节的结构体：

struct many_nums {
    std::int64_t first{};
    std::int64_t second{};
    std::int64_t third{};
    std::int64_t fourth{};
};
many_nums construct_scary() {
    many_nums temp{10, 20, 30, 40};
    return temp;
}

在 construct_scary 函数中：

construct_scary():
  mov QWORD PTR [rbp-8], rdi
  mov rax, QWORD PTR [rbp-8]
  mov QWORD PTR [rax], 10
  mov QWORD PTR [rax+8], 20
  mov QWORD PTR [rax+16], 30
  mov QWORD PTR [rax+24], 40
  ret

mov rax, [rbp-8] 这行是 -O0 编译级别下的产物。优化后代码会直接使用 rdi，无需额外移动。

在 main 函数中：

main:
  sub rsp, 32
  lea rax, [rbp-32]
  mov rdi, rax
  call construct_scary
  ret

• 内存分配：可通过 sub rsp, size 在栈上分配，或在堆上分配。
• 地址传递：调用前将地址写入 rdi。
• MEMORY分类：System V ABI 对大于16字节或非 INTEGER 类型的类型使用此分类。

返回值分类规则详解

System V ABI 定义了三种返回类型分类：

• INTEGER：大小不超过16字节，且仅包含 ≤2个64位标量或聚合字段 → 直接通过 rax/rdx 返回。
• MEMORY：大小超过16字节，或包含 >2个128位的SSE打包类型，或非 INTEGER 类型 → 使用隐藏的 rdi 参数传递地址。
• SSE：浮点数类型最大128位 → 通过 xmm0 返回（本文不展开讨论）。

GCC、Clang 等主流编译器均依据这些规则生成代码。调试时建议使用 -O0，以便清晰观察中间步骤。

核心要点总结

• 小于等于16字节的整型返回值，优先使用 rax/rdx 寄存器。
• 对于 MEMORY 类型，调用方需通过 rdi 提供内存空间。
• System V ABI 保证了 Linux 与 macOS 平台间行为的一致性。
• 启用优化（如 -O2 及以上）可自动移除冗余的 mov 指令。
• 建议使用 objdump -d 或 Godbolt Compiler Explorer 验证实际生成的汇编代码。

— Editorial Team