System V Application Binary Interface（System V ABI，或简称为 SysV ABI）是一个为 UNIX 系统（尤其是基于 System V 版本的 UNIX）定义的应用二进制接口（ABI）。ABI 是在操作系统、硬件、编译器之间进行交互的标准，它确保程序在不同的系统环境中能正确执行。System V ABI 的定义涵盖了多个方面，包括系统调用约定、函数调用约定、寄存器使用规范、堆栈布局、共享库机制、异常处理以及可执行文件格式等。
在 UNIX 和 Linux 系统中，System V ABI 被广泛应用于 x86、x86_64（AMD64）、ARM 等多种架构。对于希望在不同 Linux 发行版之间保持二进制兼容性的软件开发者来说，了解并遵循 System V ABI 的规范是非常必要的。下面将详细介绍 System V ABI 的核心要素。
1. 函数调用约定
函数调用约定（Calling Convention）是 ABI 的重要组成部分，定义了函数调用时参数和返回值的传递方式、寄存器的使用规则以及堆栈的布局。System V ABI 中规定了以下几个方面的内容：
- 参数传递：在 x86_64 架构下，前六个整数类型的参数使用寄存器
RDI、RSI、RDX、RCX、R8和R9传递，额外的参数则通过堆栈传递。浮点参数则使用XMM寄存器传递。 - 返回值传递：返回值使用寄存器传递，例如整数类型的返回值使用
RAX，浮点数使用XMM0。 - 寄存器保存：一些寄存器在函数调用之间需要保持不变（callee-saved），如
RBX、RBP、R12到R15等。其他寄存器可以在函数调用过程中自由使用（caller-saved）。
2. 寄存器分配与使用
System V ABI 规范规定了特定寄存器的用途，使得不同的函数能够协调一致地使用寄存器。在 x86_64 架构中，寄存器通常分为两类：
- Callee-Saved 寄存器：调用者可以期望这些寄存器在函数调用后仍然保持原值。例如：
RBX、RBP、R12到R15。 - Caller-Saved 寄存器：调用者在调用函数前需要保存这些寄存器的值。例如：
RAX、RDI、RSI、RDX、RCX、R8、R9等。
3. 堆栈布局
System V ABI 规范了函数调用时的堆栈布局，以确保各函数之间的参数传递和返回地址的存储符合标准。堆栈以 16 字节对齐的方式操作，从而在调用指令（如 CALL 和 RET）时避免对齐问题。
- 栈帧（Stack Frame）：每次函数调用都会生成一个栈帧，用于存储局部变量、参数和返回地址等。System V ABI 要求栈指针始终保持 16 字节对齐，以便于高效地访问数据。
- 红色区域（Red Zone）：在栈帧下方的 128 字节区域称为红色区域，不会被异步信号破坏。函数可以临时使用该区域，适合放置临时变量。
4. 异常处理与栈展开
System V ABI 还定义了异常处理和栈展开（Stack Unwinding）的规则，以便在程序执行过程中发生异常时能够正确地清理栈帧和资源。在 x86_64 架构中，异常处理使用特定的数据结构（如 .eh_frame），并使用 DWARF 格式描述函数调用帧，以便于调试器和异常处理器解析。
5. 动态链接与共享库
System V ABI 规范了动态链接库（Dynamic Library）和共享库（Shared Library）的加载和调用方式。借助 ELF（Executable and Linkable Format）文件格式的支持，Linux 和 UNIX 系统可以方便地加载共享库并进行动态链接。
- ELF 文件格式：System V ABI 指定使用 ELF 文件格式，其中包含了程序的各种段（Section），如
.text段（代码段）、.data段（数据段）等。 - PLT 和 GOT 表：函数调用时，使用 PLT（Procedure Linkage Table） 和 GOT（Global Offset Table）来实现位置无关代码（Position Independent Code，PIC），使得库能够在不同内存地址加载时仍然正确执行。
6. 系统调用约定
System V ABI 还规定了在 Linux 系统上的系统调用约定。在 x86_64 架构上，系统调用使用 SYSCALL 指令发起，并通过特定的寄存器传递参数：
- 系统调用号通过
RAX寄存器传递。 - 系统调用的第一个参数放入
RDI，第二个参数放入RSI，依次类推。 - 系统调用的返回值放入
RAX。
7. System V ABI 的重要性
System V ABI 的统一标准使得在不同的 Linux 发行版和 UNIX 系统之间保持程序的二进制兼容性成为可能。编译器、操作系统和链接器都遵循该标准，以便在多种硬件和软件环境下能够无缝地运行相同的二进制文件。这对于跨平台软件开发尤为重要，例如在 x86_64 架构上编译的程序可以在任何符合 System V ABI 的 Linux 系统上执行，而无需重新编译。
总结
System V ABI 是 UNIX 和 Linux 系统上应用程序二进制接口的基础标准。它在函数调用、寄存器使用、堆栈布局、异常处理、动态链接和系统调用等方面提供了统一的规范，极大地提升了跨系统的兼容性和程序的稳定性。对于希望在 Linux 和 UNIX 系统上开发跨平台应用程序的开发者，深入理解并遵循 System V ABI 规范，是编写高效、兼容性强的软件的重要步骤。
