返回元组时 GCC/Clang x86_64 C++ ABI 不匹配？

当尝试时优化 x86_64 上的返回值 https://stackoverflow.com/q/25381736/3919155，我注意到一个奇怪的事情。即，给定代码：

#include <cstdint>
#include <tuple>
#include <utility>

using namespace std;

constexpr uint64_t a = 1u;
constexpr uint64_t b = 2u;

pair<uint64_t, uint64_t> f() { return {a, b}; }
tuple<uint64_t, uint64_t> g() { return tuple<uint64_t, uint64_t>{a, b}; }

Clang 3.8 输出 https://gcc.godbolt.org/#compilers:!((compiler:clang380,options:'-std%3Dc%2B%2B11+-O2',sourcez:MQSwdgxgNgrgJgUwAQB4IGcAudyYHwBQoksiqmMADlAocdPMijJiFCJgJ6EEzrgBzJGACGAWwTpKIiMixwA3AQIQA9mCwIAHpQBOSGLgBsAFgD6mJCKQBeJAEYYStRsza9B4%2BcsAjW0gAmJ2VpEF1mLwsAGk8wTFMLPCQAMwAKAEokAG8kXQQKXTBskRifAF8FJDKCCmoECLiEzBjDRu8kgQzs3PyYQqRamgb47xbI/CySpHLK6oIsEVYIMxF0dARdTFT%2BAC8EVTTQ8NaR6NjT/HSCJBvbu7ubO139tJOmzIBqJGeD1LfvdIxABEQPSSgWSxWaw2Wx%2BaUG9X%2BZyRl2u93RN0e3xAe1%2BR2GTTGbUSgKQILBQAAA%3D%3D)),filterAsm:(commentOnly:!t,directives:!t,labels:!t),version:3该汇编代码为f:

movl $1, %eax
movl $2, %edx
retq

这对于g:

movl $2, %eax
movl $1, %edx
retq

看起来最优。然而，当使用 GCC 6.1 编译 https://gcc.godbolt.org/#compilers:!((compiler:g6,options:'-std%3Dc%2B%2B11+-O2',sourcez:MQSwdgxgNgrgJgUwAQB4IGcAudyYHwBQoksiqmMADlAocdPMijJiFCJgJ6EEzrgBzJGACGAWwTpKIiMixwA3AQIQA9mCwIAHpQBOSGLgBsAFgD6mJCKQBeJAEYYStRsza9B4%2BcsAjW0gAmJ2VpEF1mLwsAGk8wTFMLPCQAMwAKAEokAG8kXQQKXTBskRifAF8FJDKCCmoECLiEzBjDRu8kgQzs3PyYQqRamgb47xbI/CySpHLK6oIsEVYIMxF0dARdTFT%2BAC8EVTTQ8NaR6NjT/HSCJBvbu7ubO139tJOmzIBqJGeD1LfvdIxABEQPSSgWSxWaw2Wx%2BaUG9X%2BZyRl2u93RN0e3xAe1%2BR2GTTGbUSgKQILBQAAA%3D%3D)),filterAsm:(commentOnly:!t,directives:!t,labels:!t),version:3，而生成的程序集为f与 Clang 输出相同，生成的程序集g is:

movq %rdi, %rax
movq $2, (%rdi)
movq $1, 8(%rdi)
ret

看起来返回值的类型被 GCC 分类为 MEMORY，但被 Clang 分类为 INTEGER。我可以确认将 Clang 代码与 GCC 代码链接，此类代码可能会导致分段错误（Clang 调用 GCC 编译的g()写入任何地方%rdi碰巧指向）并且返回无效值（GCC 调用 Clang 编译g()）。哪个编译器有问题？

Related:

• 构建共享库时，G++ 和 clang++ 与标准库不兼容？ https://stackoverflow.com/q/35586332/3919155
• [cxx-abi-dev] 不平凡的移动构造函数 http://sourcerytools.com/pipermail/cxx-abi-dev/2016-February/002884.html

See also

• System V 应用程序二进制接口。 AMD64 架构处理器补充。草案版本0.99.5 http://www.x86-64.org/documentation/abi.pdf

ABI 规定参数值根据特定算法进行分类。这里相关的是：

3. 如果聚合的大小超过一个八字节，则每个字节将被单独分类。每个八字节被初始化为 NO_CLASS 类。

4. 对象的每个字段都被递归分类，以便始终考虑两个字段。根据八字节中字段的类别计算得到的类别：

在这种情况下，每个字段（对于元组或对）都是类型uint64_t因此占据了整个“八字节”。那么，每八字节中要考虑的“两个字段”是“NO_CLASS”（按照 3）和uint64_t字段，被分类为 INTEGER。

还有，与参数相关passing:

如果 C++ 对象具有非平凡的复制构造函数或非平凡的析构函数，则它通过不可见引用传递（该对象在参数列表中被具有类 INTEGER 的指针替换）

不满足这些要求的对象必须有一个地址，因此需要位于内存中，这就是上述要求存在的原因。返回值也是如此，尽管规范中似乎省略了这一点（可能是偶然的）。

最后还有：

(c) 如果聚合的大小超过两个八字节，并且第一个八字节不是 SSE 或任何其他八字节不是 SSEUP，则整个参数 是在内存中传递的。

显然，这并不适用于此。聚合的大小正好是两个八字节。

在返回值时，文本显示：

1. 使用分类算法对返回类型进行分类

如上所述，这意味着元组应归类为 INTEGER。然后：

3. 如果类别为 INTEGER，则序列的下一个可用寄存器 使用%rax、%rdx。

这是很清楚的。

唯一仍然悬而未决的问题是这些类型是否是非平凡复制构造/可破坏的。如上所述，这种类型的值不能在寄存器中传递或返回，即使规范似乎没有认识到返回值的问题。然而，我们可以使用以下程序轻松证明元组和对都是可平凡复制构造和平凡破坏的：

测试程序：

#include <utility>
#include <cstdint>
#include <tuple>
#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char **argv)
{
    cout << "pair is trivial? : " << is_trivial<pair<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "pair is trivially_copy_constructible? : " << is_trivially_copy_constructible<pair<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "pair is standard_layout? : " << is_standard_layout<pair<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "pair is pod? : " << is_pod<pair<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "pair is trivially_destructable? : " << is_trivially_destructible<pair<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "pair is trivially_move_constructible? : " << is_trivially_move_constructible<pair<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;

    cout << "tuple is trivial? : " << is_trivial<tuple<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "tuple is trivially_copy_constructible? : " << is_trivially_copy_constructible<tuple<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "tuple is standard_layout? : " << is_standard_layout<tuple<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "tuple is pod? : " << is_pod<tuple<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "tuple is trivially_destructable? : " << is_trivially_destructible<tuple<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    cout << "tuple is trivially_move_constructible? : " << is_trivially_move_constructible<tuple<uint64_t, uint64_t> >::value << endl;
    return 0;
}

使用 GCC 或 Clang 编译时的输出：

pair is trivial? : 0
pair is trivially_copy_constructible? : 1
pair is standard_layout? : 1
pair is pod? : 0
pair is trivially_destructable? : 1
pair is trivially_move_constructible? : 1
tuple is trivial? : 0
tuple is trivially_copy_constructible? : 1
tuple is standard_layout? : 0
tuple is pod? : 0
tuple is trivially_destructable? : 1
tuple is trivially_move_constructible? : 0

这意味着海湾合作委员会的做法是错误的。返回值应以%rax,%rdx 形式传递。

（这些类型之间的主要显着差异是pair是标准布局，并且可以简单地移动构造，而tuple不是，所以 GCC 可能总是通过指针返回非平凡移动构造的值，例如）。