C语言为什么需要堆栈

Ber_thaw99

最近，看了很多关于uboot的分析，其中就有说要为C语言的运行，就要准备好堆栈。
& y) K2 j: e) W: r5 F% `$ Y
1 E; c! b; _; @: g; Y5 a5 |2 D0 A: d, [+ y
2 }9 S5 _; E3 n& l9 H) v* L, z而在Uboot的start.S汇编代码中，关于系统初始化，也看到有堆栈指针初始化这个动作。但是，从来只是看到有人说系统初始化要初始化堆栈，即正确给堆栈指针sp赋值，但是却从来没有看到有人解释，为何要初始化堆栈。今天，我们就来试图解释一下，为何要初始化堆栈，即：3 V/ T* b: \: D9 R$ m) }# _# s
1 e2 k' z& |( `, n7 l' ]+ \; H# h: m/ {/ M) o! ?
) g1 F# B4 P) E
: ^% Z: K& F8 K2 ]( t6 _5 U$ M, M为何C语言的函数调用要用到堆栈，而汇编却不需要初始化堆栈？
: B9 o* F% }7 u- z) k5 s7 _& }1 S& [5 d# U) w6 N% K2 G( P, v% ]8 t
6 C) n  ^" v% H7 P; a& a* K6 ~+ l% i4 g5 |! n, u- ]* M
: a# e. A2 w0 e7 ~要明白这个问题，首先要了解堆栈的作用。
: [" c1 e% q& t* ^8 B% d( I; g5 F: T
+ e" n4 m/ C4 ]; D, ~. J% v. p
关于堆栈的作用，要详细讲解的话，要很长的篇幅，所以此处只是做简略介绍。
& D) g4 T" G; j1 R9 `* j! Y) J5 h
总的来说，堆栈的作用就是：保存现场/上下文，传递参数。
6 |8 a; j' |8 {! p+ c& q0 P2 U% X5 a, ^" s# [
4 W9 `" O, P4 X& K9 u1 Q
1.保存现场/上下文
现场，意思就相当于案发现场，总有一些现场的情况，要记录下来的，否则被别人破坏掉之后，你就无法恢复现场了。而此处说的现场，就是指CPU运行的时候，用到了一些寄存器，比如r0,r1等等，对于这些寄存器的值，如果你不保存而直接跳转到子函数中去执行，那么很可能就被其破坏了，因为其函数执行也要用到这些寄存器。( P$ W3 y& d9 }& e

& `! A% @4 w  |# z: \因此，在函数调用之前，应该将这些寄存器等现场，暂时保持起来，等调用函数执行完毕返回后，再恢复现场。这样CPU就可以正确的继续执行了。
+ q5 Q/ e' @: f; b9 ^4 t$ ^
在计算机中，你常可以看到上下文这个词，对应的英文是context。那么：

1.1.什么叫做上下文context
( q7 A: ]1 H3 U, V+ X保存现场，也叫保存上下文。4 P/ A; x$ H( V
+ o2 J" c1 X0 J2 I5 Z
; Y' d9 ]' q7 E0 ~) H" @% I7 f
上下文，英文叫做context，就是上面的文章，和下面的文章，即与你此刻，当前CPU运行有关系的内容，即那些你用到寄存器。所以，和上面的现场，是一个意思。
) F1 m: Y- Q  T
保存寄存器的值，一般用的是push指令，将对应的某些寄存器的值，一个个放到堆栈中，把对应的值压入到堆栈里面，即所谓的压栈。' g7 M; ~' W' J$ N$ b
9 B& e/ C; |: O# Y3 G# Q4 Y. ~/ T  N
8 u$ A1 {$ q: ]
然后待被调用的子函数执行完毕的时候，再调用pop，把堆栈中的一个个的值，赋值给对应的那些你刚开始压栈时用到的寄存器，把对应的值从堆栈中弹出去，即所谓的出栈。
( b# Z% I7 a% I; X& g& I
其中保存的寄存器中，也包括lr的值（因为用bl指令进行跳转的话，那么之前的pc的值是存在lr中的），然后在子程序执行完毕的时候，再把堆栈中的lr的值pop出来，赋值给pc，这样就实现了子函数的正确的返回。; k6 s! F- y1 D* h2 N
+ W# a, o: d* }8 v+ o
2.传递参数- v: P* A9 {( r3 W8 U1 k- }* X4 L
C语言进行函数调用的时候，常常会传递给被调用的函数一些参数，对于这些C语言级别的参数，被编译器翻译成汇编语言的时候，就要找个地方存放一下，并且让被调用的函数能够访问，否则就没发实现传递参数了。对于找个地方放一下，分两种情况。2 v0 t" @# h3 C" _" c* y: _
3 X1 z% g1 ?$ _$ W3 Y! C/ X* C$ F9 ^, D$ K' g1 ~
一种情况是，本身传递的参数就很少，就可以通过寄存器传送参数。
* A$ X& ]6 t- L$ u: G0 {9 O; |4 D1 V
因为在前面的保存现场的动作中，已经保存好了对应的寄存器的值，那么此时，这些寄存器就是空闲的，可以供我们使用的了，那就可以放参数，而参数少的情况下，就足够存放参数了，比如参数有2个，那么就用r0和r1存放即可。（关于参数1和参数2，具体哪个放在r0，哪个放在r1，就是和APCS中的“在函数调用之间传递/返回参数”相关了，APCS中会有详细的约定。感兴趣的自己去研究。）; i! J& m" m; w. l; y: W9 J
8 Y. i" `- F+ ]
但是如果参数太多，寄存器不够用，那么就得把多余的参数堆栈中了。8 u, a! w7 c4 N# f' |" S' Z

即，可以用堆栈来传递所有的或寄存器放不下的那些多余的参数。
; B! a1 p2 Y3 ^9 E5 l: M" T4 `4 p3 o3 Z! s8 e
3.举例分析C语言函数调用是如何使用堆栈的! z* V' k! G, p( y
对于上面的解释的堆栈的作用显得有些抽象，此处再用例子来简单说明一下，就容易明白了：
. Y+ q8 P4 |4 ?8 a( d+ F

用:
: r/ H! h6 i+ y7 @/ i9 N4 g/ q- f

1. ARM-inux-objdump –d u-boot > dump_u-boot.txt% H+ y' t. O. X. N4 g( N. l
7 T: T4 j7 h7 ]: Z
" X9 ?4 B2 s6 M5 {' S& n
' `; m2 n" F7 d7 X- x! R+ ]. v可以得到dump_u-boot.txt文件。该文件就是中，包含了u-boot中的程序的可执行的汇编代码，其中我们可以看到C语言的函数的源代码，到底对应着那些汇编代码。0 ~* S3 D7 L* Z: V" H" \% c" {
5 G2 p& k: H8 v" \! U: v2 W1 l1 y& L# c/ w
1 S6 @; t- y! d' J8 N" G( C下面贴出两个函数的汇编代码，7 l/ U7 r3 R; J  U+ b8 \$ u3 p/ [
3 ?4 L( }! Y) l" Y6 q' V: \- w$ [一个是clock_init，
另一个是与clock_init在同一C源文件中的，另外一个函数CopyCode2Ram：; n; n/ f+ d! @' C& G" Q7 R- k1 ]

8 _% f4 N. S) U1. 33d0091c <CopyCode2Ram>:
% c# a0 j  z# ]+ ^1 O2. 33d0091c:  e92d4070   push   {r4, r5, r6, lr}
; d! b' S$ j8 G3. 33d00920:  e1a06000   mov r6, r0
4. 33d00924:  e1a05001   mov r5, r1
1 X6 o+ p  Z1 x# g5 a5. 33d00928:  e1a04002   mov r4, r2
, l2 B6 B# m- {8 _- f1 h$ _6. 33d0092c:  ebffffef   bl  33d008f0 <bBootFrmNORFlash>
7. ... ...
7 V7 Y  a" a% l0 S3 s* |8. 33d00984:  ebffff14   bl  33d005dc <nand_read_ll>. e! F3 s5 r) E  Z1 W$ b1 W0 A* p
9. ... ...) x6 ]3 K: {+ J1 f) @3 q! v
10. 33d009a8:  e3a00000   mov r0, #0 ; 0x0% C5 a1 o0 R9 \; O% Z
+ U" s, n* }: S& A  }- E' e11. 33d009ac:  e8bd8070   pop {r4, r5, r6, pc}# B' E, C4 b5 u& L! [: ^
7 k2 p) `; r4 P8 ~; p7 X7 m* \3 E9 }0 f12.  
( W5 A' j! \0 R5 ]. v! b- \$ l13. 33d009b0 <clock_init>:. }! u* w2 R7 V9 W3 ~7 R
14. 33d009b0:  e3a02313   mov r2, #1275068416   ; 0x4c000000+ y1 H2 a- W6 y4 F; U& c) F
9 f$ D& ^0 n: d" O! r15. 33d009b4:  e3a03005   mov r3, #5 ; 0x5
7 S: ~/ P- I9 A  A9 [/ N# S16. 33d009b8:  e5823014   str r3, [r2, #20]4 ?) Z! L1 ]( K! Z$ F4 l
+ v4 S' T2 Z/ \. `; A( W9 s1 C17. ... ...4 v. J% Y1 v# ?+ @4 P# n2 V; [
18. 33d009f8:  e1a0f00e   mov pc, lr
5 i& W4 f9 U/ H! @
（1）clock_init部分的代码
+ K( W+ l& ]/ R/ _可以看到该函数第一行：4 i; W! N1 s$ F9 F8 ?) I7 j& u3 d; ~
: D) z( e6 L8 U( ^
) a: z  k. b+ S; O3 i4 G9 B4 k, l2 m1. 33d009b0:  e3a02313   mov r2, #1275068416   ; 0x4c000000

: i" E- M. o: u* b
就没有我们所期望的push指令，没有去将一些寄存器的值放到堆栈中。这是因为，我们clock_init这部分的内容，所用到的r2,r3等等寄存器，和前面调用clock_init之前所用到的寄存器r0，没有冲突，所以此处可以不用push去保存这类寄存器的值，不过有个寄存器要注意，那就是r14，即lr，其是在前面调用clock_init的时候，用的是bl指令，所以会自动把跳转时候的pc的值赋值给lr，所以也不需要push指令去将PC的值保存到堆栈中。

8 ?; H1 S: f% y3 m
: w5 e% M& _; x2 U而clock_init的代码的最后一行:

- Y' d. x, U/ m% P0 _7 G5 q; |* ^7 b6 c' Y% u9 U' g
1. 33d009f8: e1a0f00e mov pc, lr
( `- B' k' Q) W2 _% }) \$ [7 r+ t8 [+ \7 m  B  t

就是我们常见的mov pc, lr，把lr的值，即之前保存的函数调用时候的PC值，赋值给现在的PC，这样就实现了函数的正确的返回，即返回到了函数调用时候下一个指令的位置。2 P8 O# [3 {% ^  u8 ~/ g( _; I; {

& q. M" _" R  Z
这样CPU就可以继续执行原先函数内剩下那部分的代码了。; x: b! [" s; Z+ Y7 y) F
! O& i8 t& E$ Y9 |# y" G/ k9 G; _; Y0 A4 B0 e+ x0 Y  @3 f5 x
+ M: r4 l* Y2 J
; Y0 K( C* ]% d0 f（2）CopyCode2Ram部分的代码
, K$ E9 S7 x) |/ g# R& |' S. Z: G' g7 F* _
1. 33d0091c: e92d4070 push {r4, r5, r6, lr}
% Z, j% N7 ~4 s: m1 t2 f' ?2 h1 n3 [, J4 B5 F8 {8 \, y3 _

) z# O! s+ h% J6 o4 s7 r( a就是我们所期望的，用push指令，保存了r4,r5,r以及lr。用push去保存r4,r5,r6，那是因为所谓的保存现场，以后后续函数返回时候再恢复现场，而用push去保存lr，那是因为此函数里面，还有其他函数调用：


1. 33d0092c:  ebffffef   bl  33d008f0 <bBootFrmNORFlash>" v; ~$ Q) }; z" I5 `
$ L" D; z" G/ [+ n' |2. ... ...
) o% S4 A& T! [* q  D# j! R0 f7 p3. 33d00984:  ebffff14   bl  33d005dc <nand_read_ll>* A5 K1 ?" K$ y" r' a
8 c* r& x4 `6 O. u1 |4. ... ...% W+ ?, d  g. h( [0 B3 i: z

; R: L) s- B3 j- x$ |8 B) n
4 I& I' y8 Q+ m# O( k也用到了bl指令，会改变我们最开始进入clock_init时候的lr的值，所以我们要用push也暂时保存起来。而对应地，CopyCode2Ram的最后一行：

) z' m9 o* H' }
1. 33d009ac: e8bd8070 pop {r4, r5, r6, pc}

- Z  u. a9 m5 X+ }
就是把之前push的值，给pop出来，还给对应的寄存器，其中最后一个是将开始push的lr的值，pop出来给赋给PC，因为实现了函数的返回。另外，我们注意到，在CopyCode2Ram的倒数第二行是：
! E) n; Y# q& D) A% O
% H8 g; a9 J8 q/ u9 N8 C- Z1 |8 I) [* n# ~
1. 33d009a8: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x05 @/ b+ n7 J" U. B

! A" m; u" c7 W- j: w) X
是把0赋值给r0寄存器，这个就是我们所谓返回值的传递，是通过r0寄存器的。$ _, r# J$ z6 Y- H1 t1 [9 J
% v# w3 c# v, R; S1 l8 `

9 X8 O, r, ~2 _  Y此处的返回值是0，也对应着C语言的源码中的“return 0”.
) f: t' Y/ _) i* H, A& b% L$ ~
7 _2 Z" B' m1 y' `' k对于使用哪个寄存器来传递返回值：
, n, k! t) b, I& u3 f5 ], ^当然你也可以用其他暂时空闲没有用到的寄存器来传递返回值，但是这些处理方式，本身是根据ARM的APCS的寄存器的使用的约定而设计的，你最好不要随便改变使用方式，最好还是按照其约定的来处理，这样程序更加符合规范。
" O' M) Z0 y% |& m