В форумах люди часто упоминают, что 64-битные версии программ поглощают больший объем памяти и стека. При этом обычно ссылаются на то, что размеры данных стали в 2 раза больше. Однако это необоснованное утверждение, так как размер большинства типов (char, short, int, float) в языке Си/Си++ остался прежним на 64-битных системах. Конечно, например, увеличился размер указателей, но ведь не все данные в программе состоят из указателей. Причины роста потребляемой памяти и стека более сложны. Я решил подробнее исследовать данный вопрос.
В данной заметке я поговорю о стеке, а в будущем планирую обсудить выделение памяти и размер двоичного кода. И еще хочу сразу заметить, что статья посвящена языку Си/Си++ и среде разработки Microsoft Visual Studio.
До недавнего времени я считал, что код 64-битной программы может поглощать стек не быстрее чем в два раза по сравнению с 32-битным кодом. Основываясь на этом предположении, я рекомендовал в статьях на всякий случай увеличивать стек программы в два раза. Однако теперь я выяснил неприятный факт. Поглощение стека может вырасти существенно больше чем в два раза. Я был удивлен, поскольку ранее считал рост стека в два раза самым пессимистическим вариантом развития событий. Причина моих необоснованных надежд станет понятна чуть позже. Рассмотрим теперь, как в 64-битной программе передаются параметры при вызове функций.
При разработке соглашений по вызовам (calling conventions) для архитектуры x86-64 решили положить конец существованию различных вариантов вызова функций. В Win32 существовал целый ряд соглашений о вызове: stdcall, cdecl, fastcall, thiscall и так далее. В Win64 только одно "родное" соглашение по вызовам. Модификаторы подобные __cdecl компилятором игнорируются. Думаю, что все согласятся в благородстве такого резкого сокращение числа соглашений.
Соглашение по вызовам на платформе x86-64 похоже на соглашение fastcall, существующее в x86. В x64-соглашении первые четыре целочисленных аргумента (слева направо) передаются в 64-битных регистрах, выбранных специально для этой цели:
RCX: 1-й целочисленный аргумент
RDX: 2-й целочисленный аргумент
R8: 3-й целочисленный аргумент
R9: 4-й целочисленный аргумент
Остальные целочисленные аргументы передаются через стек. Указатель "this" считается целочисленным аргументом, поэтому он всегда помещается в регистр RCX. Если передаются значения с плавающей точкой, то первые четыре из них передаются в регистрах XMM0-XMM3, а последующие - через стек.
Из этой информации я ранее сделал вывод, что 64-битная программа во многих случаях может экономить стековую память по сравнению с 32-битной. Ведь если параметры передаются через регистры, код функции короткий и нет необходимости сохранять аргументы в памяти (стеке), то размер используемой стековой памяти должен сократиться. Но это не так.
Хотя аргументы могут быть переданы в регистрах, компилятор все равно резервирует для них место в стеке, уменьшая значение регистра RSP (указателя стека). Как минимум, каждая функция должна резервировать в стеке 32 байта (четыре 64-битных значения, соответствующие регистрам RCX, RDX, R8, R9). Это пространство в стеке позволяет легко сохранить содержимое переданных в функцию регистров в стеке. От вызываемой функции не требуется сбрасывать в стек входные параметры, переданные через регистры, но резервирование места в стеке при необходимости позволяет это сделать. Если передается более четырех целочисленных параметров, в стеке нужно зарезервировать соответствующее дополнительное пространство.
Рассмотрим пример. Некая функция передает два целочисленных параметра дочерней функции. Компилятор положит значения аргументов в регистры RCX и RDX и при этом вычтет 32 байта из регистра RSP. Вызываемая функция может обратиться к параметрам через регистры RCX и RDX. Если же коду этой функции данные регистры понадобятся для какой-то иной цели, он сможет скопировать их содержимое в зарезервированное пространство стека размером 32 байта.
Описанная особенность приводит к существенному возрастанию скорости поглощения стека. Даже если функция не имеет параметров, то от стека все равно будет "откушено" 32 байта, которые затем никак не используются. Смысл использования такого неэкономного механизма я не уловил. Что-то говорится про унификацию и упрощение отладки, но как-то расплывчато.
Обратим внимание еще на один момент. Указатель стека RSP должен перед очередным вызовом функции быть выровнен по границе 16 байт. Таким образом, суммарный размер используемого стека при вызове в 64-битном коде функции без параметров составляет: 8 (адрес возврата) + 8 (выравнивание) + 32 (резерв для аргументов) = 48 байт!
Рассмотрим, к чему это может приводить на практике. Здесь и далее для экспериментов я буду использовать Visual Studio 2010. Составим рекурсивную функцию вида:
void StackUse(size_t *depth)
{
volatile size_t *ptr = 0;
if (depth != NULL)
ptr = depth;
cout << *ptr << endl;
(*ptr)++;
StackUse(depth);
(*ptr)--;
}Функция немного запутанна, чтобы оптимизатор не превратил ее в "ничто". Основное здесь следующее: функция имеет аргумент типа указатель и одну локальную переменную, также типа указатель. Посмотрим, сколько стека потребляет функция в 32-битном и 64-битном варианте и сколько раз она может быть рекурсивно вызвана при стеке размером 1 мегабайт (размер по умолчанию).
Release 32-bit: последнее выведенное число (глубина стека) - 51331
Компилятор использует при вызове данной функции 20 байт.
Release 64-bit: последнее выведенное число - 21288
Компилятор использует при вызове данной функции 48 байт.
Таким образом, 64-битный вариант функции StackUse оказывается прожорливее 32-битного в более чем в 2 раза.
Замечу, что изменение правил выравнивания данных также может оказывать влияние на размер поглощаемого стека. Предположим, что функция принимает в качестве аргумента структуру:
struct S
{
char a;
size_t b;
char c;
};
void StackUse(S s) { ... }Размер структуры 'S' из-за изменений правил выравнивания и изменения размера члена 'b' вырастет с 12 до 24 байт при перекомпиляции в 64-битном режиме. Структура передается в функцию по значению. А, следовательно, структура в стеке также займет в два раза больше памяти.
Неужели все так плохо? Нет. Не следует забывать про большее количество регистров, имеющихся в распоряжении 64-битного компилятора. Усложним код экспериментальной функции:
void StackUse(size_t *depth, char a, int b)
{
volatile size_t *ptr = 0;
int c = 1;
int d = -1;
for (int i = 0; i < b; i++)
for (char j = 0; j < a; j++)
for (char k = 0; k < 5; k++)
if (*depth > 10 && k > 2)
{
c += j * k - i;
d -= (i - j) * c;
}
if (depth != NULL)
ptr = depth;
cout << c << " " << d << " " << *ptr << endl;
(*ptr)++;
StackUse(depth, a, b);
(*ptr)--;
}Результаты запуска:
Release 32-bit: последнее выведенное число - 16060
Компилятор использует при вызове данной функции уже 64 байта.
Release 64-bit: последнее выведенное число - 21310
Компилятор использует при вызове данной функции по-прежнему 48 байт.
Для данного примера 64-битному компилятору удалось использовать дополнительные регистры и построить более эффективный код, что позволило сократить количество используемой стековой памяти!