为什么 AArch64 获取符号地址总是采用 ADRP + ADD 的形式

2026-07-06 | Tech

刚接触 AArch64 汇编的人往往会对编译器生成的一类代码感到困惑。

考虑下面这样一个简单的 C 函数：

extern int foo;

int *bar(void) {
    return &foo;
}

在开启 PIE（Position Independent Executable）后，不同架构的编译器通常会生成如下代码。

leaq foo(%rip), %rax

adrp    x0, foo
add     x0, x0, :lo12:foo

两种架构都采用了 PC-relative（PC 相对）寻址，即结合 PC 寄存器（x86-64 中的 %rip 或 AArch64 中的 pc）与预定义偏移量计算目标符号的最终地址。但相比 x86-64 一条 LEA 指令即可完成地址计算，AArch64 却需要两条指令。这是为什么？

为什么不能直接构造一个 64 位地址？

首先需要说明的是，这并不是因为 AArch64 无法表示一个 64 位地址。

AArch64 是一种定长指令集，所有指令均为 32 位（4 字节）。受限于固定的指令编码空间，MOVZ、MOVN 和 MOVK 每次只能操作一个 16 位立即数字段。因此，构造一个任意的 64 位常数通常需要四条指令：

movz    x0, #0xcdef
movk    x0, #0x89ab, lsl #16
movk    x0, #0x4567, lsl #32
movk    x0, #0x0123, lsl #48

既然如此，为什么编译器几乎从不这样加载符号地址，而是宁愿使用 ADRP + ADD？

答案并不在于指令本身，而在于现代可执行文件的链接与装载方式。

首先，符号地址在汇编阶段通常尚未确定。汇编器只能生成对应的 relocation，由链接器负责回填最终地址。如果采用上述方式，链接器需要分别修改四条指令中的立即数字段；对于位置无关代码（Position Independent Code，PIC），程序每次被加载到不同的虚拟地址时，动态加载器还需要再次修补这些指令。相比之下，PC 相对寻址通常只需要两个 relocation，链接和装载的开销都更低。

更关键的是，直接编码绝对地址破坏了位置无关代码的基本假设。现代操作系统普遍启用了地址空间布局随机化（Address Space Layout Randomization，ASLR），同一个可执行文件每次运行时，其装载基址都可能不同。如果代码中保存的是绝对地址，那么程序装载时就必须修改代码段本身。这不仅增加了动态加载器的工作量，也意味着代码页无法保持只读，从而失去多个进程共享同一份物理页的能力。

因此，现代 AArch64 ABI 更倾向于采用 PC-relative（PC 相对）寻址。

为什么是 ADRP + ADD？

AArch64 获取静态符号地址最常见的形式如下：

adrp    x0, foo
add     x0, x0, :lo12:foo

其中，ADRP 并不会直接得到 foo 的地址，而是先定位到 foo 所在的 4 KiB 页面；随后，ADD 再补上页内偏移。

假设

foo = 0x123456789abc

那么上述两条指令实际上完成的是：

page(foo)   = foo & ~0xfff
offset(foo) = foo &  0xfff

x0 = page(foo) + offset(foo)

这种拆分利用了虚拟内存分页的特点。对于同一个程序而言，各个页面之间的相对位置在链接时就已经确定，而页内偏移始终只有 12 位。因此，无需编码完整的 64 位地址，只需记录目标页面相对于当前指令所在页面的位置，再补上页内偏移即可恢复完整地址。

从编码角度来看，ADRP 使用 21 位带符号立即数表示页号差，再左移 12 位恢复为字节地址，因此能够覆盖约 ±4 GiB 的寻址范围，足以覆盖绝大多数用户态程序。相比直接构造一个 64 位绝对地址，这种方案不仅需要更少的重定位信息，也天然适用于 PIE、共享库等位置无关代码。

需要注意的是，真正编码进 ADRP 的并不是 foo 的绝对地址，而是目标页面相对于当前 PC 所在页面的偏移。当程序因 ASLR 而整体移动时，代码段和数据段会一起平移，它们之间的相对位置保持不变，因此这两个立即数字段通常无需修改。这也是 PC 相对寻址能够天然支持位置无关代码的根本原因。

ADR 与 ADRP

到这里，一个问题自然出现了：既然 ADRP + ADD 是获取符号地址的标准方式，那么为什么 AArch64 还提供了一条 ADR 指令？

实际上，两者完成的是同一件事情，只是适用范围不同。

ADR 将 21 位带符号立即数解释为字节偏移，因此能够直接计算：

x0 = PC + offset

由于偏移量只有 21 位，其寻址范围约为 ±1 MiB，因此主要用于距离当前位置较近的目标，例如函数内部标签或邻近的只读数据。

相比之下，ADRP 将相同的 21 位立即数解释为页号差，因此覆盖范围扩大到了约 ±4 GiB。编译器无法保证目标符号始终落在 ±1 MiB 范围内，因此对于全局对象，通常都会选择更加通用的 ADRP + ADD。

从概念上讲，可以将 ADR 理解为“一步完成地址计算”，而 ADRP + ADD 则是“先定位到目标页面，再恢复页内偏移”。两者完成的是同一件事情，只是在寻址范围和编码方式上有所不同。

总结

初看之下，ADRP + ADD 像是 AArch64 为了弥补固定长度指令编码能力不足而采用的一种折中方案。然而，真正驱动这一设计的并不是 ISA 本身，而是现代 ABI 对位置无关代码、动态链接以及代码共享的需求。

事实上，这并非 AArch64 独有的设计思想。现代 x86-64 编译器在生成 PIE 时，同样会优先采用 RIP 相对寻址：

leaq foo(%rip), %rax

而不是直接使用 movabs 加载绝对地址。两种架构遵循的是同一个原则：尽可能避免在代码中编码绝对地址，而使用位置无关的相对地址表示程序内部对象。

从这个角度来看，ADRP + ADD 并不是一种特殊技巧，而是现代系统软件设计理念在 AArch64 指令集上的具体体现。

作者：hsfzxjy
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Arm64 PIC Assembly