含pushq/popq %rbx的汇编程序运行段错误，求分析原因

现有两个文件program.s和functions.c，执行以下命令编译：

gcc -c -std=c99 functions.c
gcc -o program program.s functions.o

运行./program时出现段错误；移除代码中的pushq %rbx和popq %rbx语句后，段错误消失。以下是两个文件的代码：

program.s 代码 #

.globl main
    .align 16    
main:
    pushq %rbp
    movq %rsp, %rbp
    pushq %rbx
    call    read_int@PLT
    popq %rbx
    popq %rbp
    retq 

functions.c 代码 #

#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>

int64_t read_int() {
    int64_t i;
    scanf("%" SCNd64, &i);
    return i;
}

问题原因分析 #

问题的核心是x86-64 System V 调用约定的栈对齐要求被违反：

1. 调用约定的栈对齐规则：在遵循System V AMD64 ABI的Linux/macOS等系统中，调用函数前（执行call指令时），栈指针%rsp必须是16字节对齐的。这是因为call指令会将8字节的返回地址压入栈，进入被调用函数后%rsp会变成8字节偏移，此时被调用函数的序言（如pushq %rbp）会再次将%rsp调整回16字节对齐，满足后续操作（比如scanf这类可能使用SSE指令的函数，这类指令要求操作数地址16字节对齐）的要求。

2. 现有代码的对齐破坏过程：

   • 程序启动后，_start调用main时，call main会先将8字节返回地址压栈，因此进入main时%rsp是8字节对齐的。
   • main中执行pushq %rbp后，%rsp减8，回到16字节对齐状态。
   • 执行pushq %rbx后，%rsp再次减8，变成8字节对齐。此时调用read_int（执行call read_int@PLT），直接违反了“调用前%rsp必须16字节对齐”的要求。
   • read_int内部调用scanf时，由于栈未正确对齐，触发了依赖16字节对齐的指令，最终导致段错误。

3. 移除push/pop后的修复逻辑：
   移除pushq %rbx和popq %rbx后，调用read_int前%rsp保持16字节对齐状态，完全符合调用约定要求，read_int和内部的scanf都能正常执行，因此段错误消失。

注意：虽然%rbx是被调用者保存寄存器，但本次问题的根源并非%rbx的值被修改，而是栈对齐错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者capsule