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。
1 X* E! r: z2 n" z$ `5 d1 C& y) K2 j: e) W: r5 F% `$ Y
/ H+ h; n7 u5 Y7 \. t: g; Y5 a5 |2 D0 A: d, [+ y
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
) h0 U  L  w( W6 I8 [7 l' ]+ \; H# h: m/ {/ M) o! ?

2 X: s/ J( z$ h: x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？
& }1 S& [5 d# U) w6 N% K2 G( P, v% ]8 t
+ l% i4 g5 |! n, u- ]* M
要明白这个问题，首先要了解堆栈的作用。
+ Y5 ^( U! V. y3 s9 r: O; A: [" c1 e% q& t* ^8 B% d( I; g5 F: T
) H* e, g* Q  \  g4 k: H
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。
4 @" P0 R4 m: U, y4 [. l  e0 r
4 X( B6 z, @( l) g总的来说，堆栈的作用就是：保存现场/上下文，传递参数。
/ r& h. s6 m$ a' ~0 |- g  E! p+ c& q0 P2 U% X5 a, ^" s# [
8 e: Y3 P9 i# ?' i: e/ I3 ^6 ^2 B
; H8 y9 U1 Y. c& D6 t7 H1.保存现场/上下文
  }# x2 L5 W7 n" r: r# |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

2 j" }) {9 d- H/ m8 H7 d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。

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：
6 u2 z& f# z1 i; S
1.1.什么叫做上下文context
保存现场，也叫保存上下文。4 P/ A; x$ H( V
+ o2 J" c1 X0 J2 I5 Z
7 u, Z2 ~$ D6 h# R1 S/ W) w& {
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
8 G1 t  I4 t( `9 n0 \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
  g7 N9 r2 ^5 R" w# z1 S9 B& e/ C; |: O# Y3 G# Q4 Y. ~/ T  N
. }+ d0 U4 E% ~! V0 Z: J2 t8 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。
: X7 R2 A( a3 S& u5 f
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: _
! C/ X* C$ F9 ^, D$ K' g1 ~
" H6 m) |5 f+ d8 U! y2 V5 @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。
0 {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

0 ]9 ]) G; ]. H7 C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。
" T4 `4 p3 o3 Z! s8 e
& {  ^3 l& A; r# E0 p  Y$ ?! O3.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：


用:


1. ARM-inux-objdump –d u-boot > dump_u-boot.txt% H+ y' t. O. X. N4 g( N. l
5 A7 N, }' h2 h& a7 T: T4 j7 h7 ]: Z
# u! ]4 l, e7 E" X9 ?4 B2 s6 M5 {' S& n
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" {
! U: v2 W1 l1 y& L# c/ w
2 J! z" g5 ]  _& X下面贴出两个函数的汇编代码，7 l/ U7 r3 R; J  U+ b8 \$ u3 p/ [
; z; d- l- ^# V! \! B% s- O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 ]

5 g$ l2 Z, n/ m9 Q, y+ X1. 33d0091c <CopyCode2Ram>:
& v( Y! t/ x, P2. 33d0091c:  e92d4070   push   {r4, r5, r6, lr}
: ^, Z, B8 _9 Y3 O, Y3. 33d00920:  e1a06000   mov r6, r0
4. 33d00924:  e1a05001   mov r5, r1
5. 33d00928:  e1a04002   mov r4, r2
' b! W( g' Z( _% A6. 33d0092c:  ebffffef   bl  33d008f0 <bBootFrmNORFlash>
7. ... ...
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
# V& M8 B) z" x  F& l" n! Z4 [10. 33d009a8:  e3a00000   mov r0, #0 ; 0x0% C5 a1 o0 R9 \; O% Z
11. 33d009ac:  e8bd8070   pop {r4, r5, r6, pc}# B' E, C4 b5 u& L! [: ^
6 u& B$ b& F1 x/ N! I- w( ]12.  
, ^3 d1 X! y$ U. Z- l7 H13. 33d009b0 <clock_init>:. }! u* w2 R7 V9 W3 ~7 R
4 b5 d2 n6 X; {14. 33d009b0:  e3a02313   mov r2, #1275068416   ; 0x4c000000+ y1 H2 a- W6 y4 F; U& c) F
$ ]. E# Y  ?7 C7 ]! V2 A15. 33d009b4:  e3a03005   mov r3, #5 ; 0x5
16. 33d009b8:  e5823014   str r3, [r2, #20]4 ?) Z! L1 ]( K! Z$ F4 l
. C; n# a( u% U1 _+ k$ R: s8 x- r17. ... ...4 v. J% Y1 v# ?+ @4 P# n2 V; [
* z9 Y" Z$ Q5 \% Q8 b18. 33d009f8:  e1a0f00e   mov pc, lr
, w# U0 f3 A4 N
: G/ ~+ `: q0 n& R' A6 O) c（1）clock_init部分的代码
, R$ y' R+ v' i0 j' n可以看到该函数第一行：4 i; W! N1 s$ F9 F8 ?) I7 j& u3 d; ~
/ y% M- V- r% j' B% a
1. 33d009b0:  e3a02313   mov r2, #1275068416   ; 0x4c000000
# S& d8 V- }. ]
" O, f4 y* B% M+ ?6 l' K1 N4 q& _
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。

* E7 I+ c. I4 D8 ?; H1 S: f% y3 m
4 q( y; d. a( |) q+ J而clock_init的代码的最后一行:

( E- W6 C9 a( H# C9 R& h( z( m5 q; |* ^7 b6 c' Y% u9 U' g
1. 33d009f8: e1a0f00e mov pc, lr
% }) \$ [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; {
6 q( m$ H: E+ j% V
9 i5 P9 S" @: d# }: B& q. M" _" R  Z
2 Z( h& p& @( s/ U3 L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
% U8 k- e6 a/ Q' d0 A4 B0 e+ x0 Y  @3 f5 x
+ M: r4 l* Y2 J
（2）CopyCode2Ram部分的代码
+ b0 l7 S0 u4 P& c& |' S. Z: G' g7 F* _
1. 33d0091c: e92d4070 push {r4, r5, r6, lr}
, J4 B5 F8 {8 \, y3 _
/ ~# B" ?4 B! _+ _
3 t1 g* ]( d6 ^, z3 v8 O* |- C: u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：

4 b) e( D4 X9 D  W& l1 K
  g& k" ]1 d; q3 O% y1. 33d0092c:  ebffffef   bl  33d008f0 <bBootFrmNORFlash>" v; ~$ Q) }; z" I5 `
2. ... ...
3. 33d00984:  ebffff14   bl  33d005dc <nand_read_ll>* A5 K1 ?" K$ y" r' a
. X$ r0 G# p& d5 K7 [+ R8 X" Q4. ... ...% W+ ?, d  g. h( [0 B3 i: z
  g. A* R) K! ^5 M+ ~

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：
! g( h, \. T4 T8 O
) z' m9 o* H' }
1. 33d009ac: e8bd8070 pop {r4, r5, r6, pc}

2 V- ]& T. x  F9 a* V' w4 H% R- Z  u. a9 m5 X+ }
) o. k$ X* k# s8 y6 I- g$ k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：
) |7 w' c( ]- \/ r! R! E) n; Y# q& D) A% O
+ d3 d/ D! T3 n/ `# B4 K# i* a, Q8 C- Z1 |8 I) [* n# ~
# [  s4 W5 v( m& @4 \. Z1. 33d009a8: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x05 @/ b+ n7 J" U. B

1 B# l3 h$ Q% v, p& n: p% S
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

9 }! N9 j. z2 c+ L9 U
此处的返回值是0，也对应着C语言的源码中的“return 0”.

0 d9 ^6 ]* [3 o' k) }7 U* P2 Y7 f对于使用哪个寄存器来传递返回值：
) h& ^$ U# F  t# ^7 K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。