汎用レジスタとは — 役割・x86/ARM/RISC‑Vの違いとコンパイラ最適化・ABIガイド
エバープレイ編集部汎用レジスタとは — 概要
汎用レジスタ（はんようレジスタ、General-Purpose Register: GPR）は、CPU内部にある高速な記憶装置で、整数演算やアドレス計算、関数呼び出しの引数受け渡し、一時データの保持などに広く使われるレジスタの総称です。レジスタはメインメモリに比べてアクセスが極めて高速であるため、プログラムの実行性能に大きな影響を及ぼします。
汎用レジスタの役割
- 演算オペランドの保存：加減算や論理演算の入力・出力を格納します。
- アドレス計算：ポインタ演算や配列インデクシングで使用します。
- 関数呼び出しの引数・戻り値：多くのABI（Application Binary Interface）で、引数や戻り値の一部がレジスタで受け渡されます。
- 一時データの保存：ローカル変数や一時値の格納に使用され、メモリアクセスを削減します。
- コンテキスト保存：スレッド切替時にレジスタ状態は保存・復元されます（コンテキストスイッチ）。
汎用レジスタと特殊レジスタの違い
汎用レジスタは多目的に使えるのに対し、プログラムカウンタ（PC/プログラムレジスタ）、スタックポインタ（SP）、フラグレジスタ（ステータス/条件コードレジスタ）などは特殊用途向けに設計された「特殊レジスタ」です。実装によってはSPやFP（フレームポインタ）を汎用レジスタとして扱える設計もありますが、ABIやCPU命令セットの観点では別扱いされることが多いです。
代表的なアーキテクチャの例
- x86 / x86-64：歴史的にAX, BX, CX, DXなどの16/32/64ビットレジスタが発展。x86-64ではRAX, RBX, RCX, RDX, RDI, RSI, RBP, RSP, R8–R15が使われます。System V AMD64 ABIではRDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9が整数引数レジスタ、RAXが戻り値です。RBXやRBP、R12–R15はコール保存（callee-saved）レジスタとされています。
- ARM (AArch64)：X0–X30の32本の整数汎用レジスタがあり、X0–X7が引数/戻り値、X19–X28がコール保存です。X31はSPあるいはゼロレジスタとして扱われる場合があります。
- RISC-V：x0–x31の32本（整数）で、x0は常にゼロ。x1（ra）リターンアドレス、x2（sp）スタックポインタ、x5–x7/x10–x17などが引数/戻り値や一時/保存に割り当てられています。
- SPARC：レジスタ窓（register windows）を導入し、関数呼び出しごとに別の窓を使うことでレジスタ保存負担を軽減するアーキテクチャ例です。
物理レジスタとアーキテクチャ上の（見かけ上の）レジスタ
近代的な高性能CPUはアウト・オブ・オーダ実行や投機実行を行うため、命令セットアーキテクチャ（ISA）上の「アーキテクチャレジスタ」と実際に実行ユニットが使用する「物理レジスタ」を分離して管理します。レジスタリネーミングという技術により、WAR（書き換え前の読み出し）やWAW（書き換え後の書き込み）といったデータハザードを解消し、並列実行効率を向上させます。
コンパイラとレジスタ割り当て
コンパイラは限られた数の汎用レジスタを効率的に使うために「レジスタ割り当て（register allocation）」を行います。代表的な手法はグラフ彩色（graph coloring）アルゴリズムで、変数のライブ範囲が重なるものを同じレジスタに割り当てないよう彩色します。レジスタが不足すると「スピル（spill）」が発生し、レジスタの内容を一時的にメモリに保存して再ロードする必要が生じ、性能低下の原因になります。
呼び出し規約（ABI）とコールセーブルール
ABIはどのレジスタを関数呼び出しの前後で保存すべきか（caller-saved / callee-saved）を定めています。caller-savedは呼び出し側が保存する必要があるレジスタ、callee-savedは呼び出される側が保存して戻すべきレジスタです。これによりライブラリ間で安全にレジスタを共有できます。適切な規約選択は関数呼び出し頻度とパラメータ数に依存しており、最適化やABI設計の重要な要素です。
レジスタに関する性能と最適化
- アクセス速度：レジスタはキャッシュよりもさらに高速で、CPUクロック数サイクルの観点で最速クラスのストレージです。
- レジスタ数の影響：汎用レジスタが多いほどコンパイラはローカル変数をレジスタに割り当てやすく、メモリアクセスが減り性能向上が期待できます（例：RISC系はレジスタ数が多め）。
- パイプラインとハザード：レジスタ依存が強いとデータハザードが発生しやすく、フォワーディングやスケジューリングが必要になります。レジスタリネーミングはこれらを緩和します。
浮動小数点・SIMDレジスタとの違い
浮動小数点演算やSIMD命令向けのレジスタ（x87/MMX/SSE/AVXレジスタ、ARMのV/SIMDレジスタなど）は、通常の整数用汎用レジスタとは別に設計されています。これらは幅や機能が異なり、ベクトル演算や浮動小数点演算に特化しています。一部アーキテクチャでは統合的に扱われる場合もありますが、概念的には用途が分かれます。
組み込み分野とメモリマップドレジスタの混同に注意
組み込み機器で「レジスタ」と言う場合、ペリフェラルの制御用にメモリマップドIOとして実装された「ハードウェアレジスタ」があり、CPU内部の汎用レジスタとは別物です。命令実行で使う汎用レジスタと混同しないよう注意が必要です。
実務上のベストプラクティス
- 高性能を狙うならコンパイラ最適化オプションを利用してレジスタ割り当てを任せる。手書きアセンブリは最小限に。
- 関数の引数が多い場合は構造化や複数戻り値を検討し、レジスタ使用を最適化する。
- 割り込み・コンテキストスイッチが頻繁にある環境では、レジスタ保存コストを考慮した設計を行う。
- ライブラリやABIに従ってコールセーブルールを守ること。そうしないとコード間の相互運用が破綻する。
まとめ
汎用レジスタはCPUの性能に直結する重要な資源で、命令実行・データ保持・アドレス計算・関数呼び出しなど多岐にわたる用途を担います。アーキテクチャやABIにより扱いが異なり、コンパイラやCPU内部の最適化技術（レジスタ割り当て、レジスタリネーミングなど）と密接に関係しています。プログラマはレジスタの特性を理解することで、性能最適化や安全な低レイヤ実装を行うことができます。
