输出HELLO WORLD——如何编译通用的函数调用表达式

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。以前的inside-out/aux其实一直不支持对progn的处理，须要先补充；而inside-out则能够优化一下，避免在只有一个表达式的状况下，也用progn将其包裹起来。修改后的inside-out/aux和inside-out分别以下

(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 '()))
           ;; 对参数列表中的全部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))))

实际上能够更进一步：inside-out/aux和inside-out大能够合并到一块儿，结果以下

(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 '()))
           ;; 对参数列表中的全部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：如何编译全部的函数调用表达式。

尽管我在上面夸下海口，说要编译“全部”的函数调用表达式，但事实上，如今我还作不到——我只能把全部的函数调用表达式，都映射到对C标准库中的函数的调用。所以，若是想要调用C标准库中的putchar函数，那么必须写下以下的代码

(|_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，开始的下划线是由于在macOS中，调用C函数的时候必需要加上这个前缀的下划线。#.是个Common Lisp中的reader macro，可让后面的表达式在读取期被求值，这样我就不须要手写字母A的code-point啦——好吧，是在炫技。

要编译这种函数调用表达式，只须要模仿一下此前对_exit的处理就能够啦。首先，是求值函数调用表达式中的各个参数，而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。做为一个野路子的编译器爱好者，我固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...

因此我了解到的是：

• 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，统统压栈

而后因为macOS的任性要求，在调用前还须要将RSP寄存器对齐到16字节的内存地址。我在这里折腾了好久，最后才发现，原来我要在函数调用结束以后，把修改过的RSP寄存器恢复原状才行_(:з」∠)_

因此，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 ;; 这里省却了不少其它状况下的代码，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)))
           ;; 通过一番尝试后，我发现必须在完成函数调用后恢复RSP寄存器才不会致使段错误
           `(,@(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指令结束返回以后，再popq出来恢复它XD

到这里为止，就能够来写经典的Hello World了，代码以下

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

生成的汇编代码以下

.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连接后，运行它就能够看到Hello, world!了

全文完

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