为什么 GCC risc v 的 medlow 只支持低 2G 的代码和全局变量?

默认情况下面,GCC risc-v 使用的 code model 是 medlow,在这种情况下,编译器生成的代码使用 lui 来构造全局变量的地址。

比如下面这段代码:

char x[2u * 1024 * 1024 * 1024];

int main() {
    x[0] = 42;
    return 0;
}

riscv64-unknown-elf-gcc main.c --save-temps -O2以后,生成的汇编代码如下:

main:
    lui a5,%hi(x)
    li  a4,42
    sb  a4,%lo(x)(a5)
    li  a0,0
    ret

单就这里而言,既然使用 lui 来生成地址,那么所能够访问的地址范围应该是 4G 才对(为了让讨论简单一些,我们先假设目标系统是 32 位的)。



但是,事实上,如果你真的尝试编译,就会遇到下面这个链接错误

riscv64-unknown-elf/lib/crt0.o: in function `.L0 ':
(.text+0xc): relocation truncated to fit: R_RISCV_PCREL_HI20 against symbol `_end' defined in .bss section in a.out

简单说就是我们这个程序的代码+全局变量超过了 2G,所以出错了。这显然跟我们前面说的 4G 的地址范围相冲突。

由于网上也没有搜索到相关的信息,这里我们只能够从错误日志入手,尝试看看这个 _end 是从哪里冒出来的。

这里有个小陷阱:链接出错是在 crt0.o 这个目标文件里面的,而它并不是我们自己的代码,所以如果你是在前面编译的中间产物里寻找 _end,将一无所获(我就因为这个很简单的问题折腾了很久)。

事实上,我们自己 main.c 生成的代码是完全没有问题的,问题出在 crt0.o

# riscv64-unknown-elf-objdump -dtr path/to/crt0.o

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <_start>:
   0:   00000197                auipc   gp,0x0
                        0: R_RISCV_PCREL_HI20   __global_pointer$
   4:   00018193                mv      gp,gp
                        4: R_RISCV_PCREL_LO12_I .L1^B1
   8:   00000517                auipc   a0,0x0
                        8: R_RISCV_PCREL_HI20   _edata
                        8: R_RISCV_RELAX        *ABS*
   c:   00050513                mv      a0,a0
                        c: R_RISCV_PCREL_LO12_I .L0 
                        c: R_RISCV_RELAX        *ABS*
  10:   00000617                **auipc   a2,0x0**
                        10: R_RISCV_PCREL_HI20  _end
                        10: R_RISCV_RELAX       *ABS*

根据错误日志,他在重写 .text+0xc 处代码的时候出了问题。.text+0xc 的后一个指令使用了 auipc 来生成 _end 的地址,而使用 auipc 时,寻址范围是 PC ± 2G,所以就有了最开始我们看到的那条出错信息。

另一种寻找 _end 的方式是编译一个不超过 2G 的程序,然后查看最后的可执行文件。



总结一下。medlow 生成的代码其实是确确实实能给访问 4G 地址空间的,但由于链接器不知道这个信息,在链接的时候使用的其他目标文件是 medany,才使得 medlow 模式下,代码+全局变量不能超过 2G。

当然,如果要支持 4G,只需要让链接器也支持两种模式就可以了(必要性不大就是,一般一个程序不会大得这么离谱)。



最后再说说 64 位的情况。我们有没有办法在 64 位机器上,支持超过 4G 的大程序?——答案是可以,但成本太过于高昂。

假设我们要支持 2^64 的代码+全局变量。在这种情况下,为了生成一个地址,编译器需要:

  1. 使用 lui 加载最高的 20 位
  2. addi 加上 32~43 这 12 位,从而得到地址的高 32 位(但此时这个值在寄存器的低 32 位)
  3. slli 将前述 32 位地址左移 32 位,把它放到寄存器的高 32 位
  4. 继续 luiaddi,构造地址的低 32 位,然后加上高 32 位,就得到了完整的 64 位地址。

可以看到,为了支持这种大程序,每个针对全局变量(可以把函数地址也当作“全局变量”)的读写,构造地址的成本都会变得非常大。

也因为这样大的程序在现实中几乎不太可能存在,GCC 也就没有必要费力去支持它了。

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