為何C語(yǔ)言函數調用要堆棧，而匯編卻不需要？
加入技術(shù)交流群
最近，看了很多關(guān)于uboot的分析，其中就有說(shuō)要為C語(yǔ)言的運行，就要準備好堆棧。而在Uboot的start.S匯編代碼中，關(guān)于系統初始化，也看到有堆棧指針初始化這個(gè)動(dòng)作。但是，從來(lái)只是看到有人說(shuō)系統初始化要初始化堆棧，即正確給堆棧指針sp賦值，但是卻從來(lái)沒(méi)有看到有人解釋?zhuān)瑸楹我跏蓟褩！?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201807/384661.htm
今天，我們就來(lái)試圖解釋一下，為何要初始化堆棧，即：
為何C語(yǔ)言的函數調用要用到堆棧，而匯編卻不需要初始化堆棧?
要明白這個(gè)問(wèn)題，首先要了解堆棧的作用。
關(guān)于堆棧的作用，要詳細講解的話(huà)，要很長(cháng)的篇幅，所以此處只是做簡(jiǎn)略介紹。
總的來(lái)說(shuō)，堆棧的作用就是：保存現場(chǎng)/上下文，傳遞參數。
1
保存現場(chǎng)/上下文
現場(chǎng)，意思就相當于案發(fā)現場(chǎng)，總有一些現場(chǎng)的情況，要記錄下來(lái)的，否則被別人破壞掉之后，你就無(wú)法恢復現場(chǎng)了。而此處說(shuō)的現場(chǎng)，就是指CPU運行的時(shí)候，用到了一些寄存器，比如r0,r1等等，對于這些寄存器的值，如果你不保存而直接跳轉到子函數中去執行，那么很可能就被其破壞了，因為其函數執行也要用到這些寄存器。
因此，在函數調用之前，應該將這些寄存器等現場(chǎng)，暫時(shí)保持起來(lái)，等調用函數執行完畢返回后，再恢復現場(chǎng)。這樣CPU就可以正確的繼續執行了。
在計算機中，你?？梢钥吹缴舷挛倪@個(gè)詞，對應的英文是context。那么：
1.1.什么叫做上下文context
保存現場(chǎng)，也叫保存上下文。
上下文，英文叫做context，就是上面的文章，和下面的文章，即與你此刻，當前CPU運行有關(guān)系的內容，即那些你用到寄存器。所以，和上面的現場(chǎng)，是一個(gè)意思。
保存寄存器的值，一般用的是push指令，將對應的某些寄存器的值，一個(gè)個(gè)放到堆棧中，把對應的值壓入到堆棧里面，即所謂的壓棧。
然后待被調用的子函數執行完畢的時(shí)候，再調用pop，把堆棧中的一個(gè)個(gè)的值，賦值給對應的那些你剛開(kāi)始壓棧時(shí)用到的寄存器，把對應的值從堆棧中彈出去，即所謂的出棧。
其中保存的寄存器中，也包括lr的值(因為用bl指令進(jìn)行跳轉的話(huà)，那么之前的pc的值是存在lr中的)，然后在子程序執行完畢的時(shí)候，再把堆棧中的lr的值pop出來(lái)，賦值給pc，這樣就實(shí)現了子函數的正確的返回。
2
傳遞參數
C語(yǔ)言進(jìn)行函數調用的時(shí)候，常常會(huì )傳遞給被調用的函數一些參數，對于這些C語(yǔ)言級別的參數，被編譯器翻譯成匯編語(yǔ)言的時(shí)候，就要找個(gè)地方存放一下，并且讓被調用的函數能夠訪(fǎng)問(wèn)，否則就沒(méi)發(fā)實(shí)現傳遞參數了。對于找個(gè)地方放一下，分兩種情況。
一種情況是，本身傳遞的參數就很少，就可以通過(guò)寄存器傳送參數。
因為在前面的保存現場(chǎng)的動(dòng)作中，已經(jīng)保存好了對應的寄存器的值，那么此時(shí)，這些寄存器就是空閑的，可以供我們使用的了，那就可以放參數，而參數少的情況下，就足夠存放參數了，比如參數有2個(gè)，那么就用r0和r1存放即可。(關(guān)于參數1和參數2，具體哪個(gè)放在r0，哪個(gè)放在r1，就是和APCS中的“在函數調用之間傳遞/返回參數”相關(guān)了，APCS中會(huì )有詳細的約定。感興趣的自己去研究。)
但是如果參數太多，寄存器不夠用，那么就得把多余的參數堆棧中了。
即，可以用堆棧來(lái)傳遞所有的或寄存器放不下的那些多余的參數。
3
舉例分析C語(yǔ)言函數調用是如何使用堆棧的
對于上面的解釋的堆棧的作用顯得有些抽象，此處再用例子來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明一下，就容易明白了：
用:
1. arm-inux-objdump –d u-boot > dump_u-boot.txt
可以得到dump_u-boot.txt文件。該文件就是中，包含了u-boot中的程序的可執行的匯編代碼，其中我們可以看到C語(yǔ)言的函數的源代碼，到底對應著(zhù)那些匯編代碼。
下面貼出兩個(gè)函數的匯編代碼，
一個(gè)是clock_init，
另一個(gè)是與clock_init在同一C源文件中的，另外一個(gè)函數CopyCode2Ram：
1. 33d0091c :
2. 33d0091c: e92d4070 push {r4, r5, r6, lr}
3. 33d00920: e1a06000 mov r6, r0
4. 33d00924: e1a05001 mov r5, r1
5. 33d00928: e1a04002 mov r4, r2
6. 33d0092c: ebffffef bl 33d008f0
7. ... ...
8. 33d00984: ebffff14 bl 33d005dc
9. ... ...
10. 33d009a8: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
11. 33d009ac: e8bd8070 pop {r4, r5, r6, pc}
12.
13. 33d009b0 :
14. 33d009b0: e3a02313 mov r2, #1275068416 ; 0x4c000000
15. 33d009b4: e3a03005 mov r3, #5 ; 0x5
16. 33d009b8: e5823014 str r3, [r2, #20]
17. ... ...
18. 33d009f8: e1a0f00e mov pc, lr
(1)clock_init部分的代碼
可以看到該函數第一行：
1. 33d009b0: e3a02313 mov r2, #1275068416 ; 0x4c000000
就沒(méi)有我們所期望的push指令，沒(méi)有去將一些寄存器的值放到堆棧中。這是因為，我們clock_init這部分的內容，所用到的r2,r3等等寄存器，和前面調用clock_init之前所用到的寄存器r0，沒(méi)有沖突，所以此處可以不用push去保存這類(lèi)寄存器的值，不過(guò)有個(gè)寄存器要注意，那就是r14，即lr，其是在前面調用clock_init的時(shí)候，用的是bl指令，所以會(huì )自動(dòng)把跳轉時(shí)候的pc的值賦值給lr，所以也不需要push指令去將PC的值保存到堆棧中。
而clock_init的代碼的最后一行:
1. 33d009f8: e1a0f00e mov pc, lr
就是我們常見(jiàn)的mov pc, lr，把lr的值，即之前保存的函數調用時(shí)候的PC值，賦值給現在的PC，這樣就實(shí)現了函數的正確的返回，即返回到了函數調用時(shí)候下一個(gè)指令的位置。
這樣CPU就可以繼續執行原先函數內剩下那部分的代碼了。
(2)CopyCode2Ram部分的代碼
1. 33d0091c: e92d4070 push {r4, r5, r6, lr}
就是我們所期望的，用push指令，保存了r4,r5,r以及l(fā)r。用push去保存r4,r5,r6，那是因為所謂的保存現場(chǎng)，以后后續函數返回時(shí)候再恢復現場(chǎng)，而用push去保存lr，那是因為此函數里面，還有其他函數調用：
1. 33d0092c: ebffffef bl 33d008f0
2. ... ...
3. 33d00984: ebffff14 bl 33d005dc
4. ... ...
也用到了bl指令，會(huì )改變我們最開(kāi)始進(jìn)入clock_init時(shí)候的lr的值，所以我們要用push也暫時(shí)保存起來(lái)。而對應地，CopyCode2Ram的最后一行：
1. 33d009ac: e8bd8070 pop {r4, r5, r6, pc}
就是把之前push的值，給pop出來(lái)，還給對應的寄存器，其中最后一個(gè)是將開(kāi)始push的lr的值，pop出來(lái)給賦給PC，因為實(shí)現了函數的返回。另外，我們注意到，在CopyCode2Ram的倒數第二行是：
1. 33d009a8: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
是把0賦值給r0寄存器，這個(gè)就是我們所謂返回值的傳遞，是通過(guò)r0寄存器的。
此處的返回值是0，也對應著(zhù)C語(yǔ)言的源碼中的“return 0”.
對于使用哪個(gè)寄存器來(lái)傳遞返回值：
當然你也可以用其他暫時(shí)空閑沒(méi)有用到的寄存器來(lái)傳遞返回值，但是這些處理方式，本身是根據ARM的APCS的寄存器的使用的約定而設計的，你最好不要隨便改變使用方式，最好還是按照其約定的來(lái)處理，這樣程序更加符合規范。
評論