為何C語言函數(shù)調(diào)用要堆棧，而匯編卻不需要？

最近，看了很多關(guān)于uboot的分析，其中就有說要為C語言的運(yùn)行，就要準(zhǔn)備好堆棧。而在Uboot的start.S匯編代碼中，關(guān)于系統(tǒng)初始化，也看到有堆棧指針初始化這個(gè)動(dòng)作。但是，從來只是看到有人說系統(tǒng)初始化要初始化堆棧，即正確給堆棧指針sp賦值，但是卻從來沒有看到有人解釋，為何要初始化堆棧。

今天，我們就來試圖解釋一下，為何要初始化堆棧，即：

為何C語言的函數(shù)調(diào)用要用到堆棧，而匯編卻不需要初始化堆棧?

要明白這個(gè)問題，首先要了解堆棧的作用。

關(guān)于堆棧的作用，要詳細(xì)講解的話，要很長(zhǎng)的篇幅，所以此處只是做簡(jiǎn)略介紹。

總的來說，堆棧的作用就是：保存現(xiàn)場(chǎng)/上下文，傳遞參數(shù)。

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保存現(xiàn)場(chǎng)/上下文

現(xiàn)場(chǎng)，意思就相當(dāng)于案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，總有一些現(xiàn)場(chǎng)的情況，要記錄下來的，否則被別人破壞掉之后，你就無法恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)了。而此處說的現(xiàn)場(chǎng)，就是指CPU運(yùn)行的時(shí)候，用到了一些寄存器，比如r0,r1等等，對(duì)于這些寄存器的值，如果你不保存而直接跳轉(zhuǎn)到子函數(shù)中去執(zhí)行，那么很可能就被其破壞了，因?yàn)槠浜瘮?shù)執(zhí)行也要用到這些寄存器。

因此，在函數(shù)調(diào)用之前，應(yīng)該將這些寄存器等現(xiàn)場(chǎng)，暫時(shí)保持起來，等調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完畢返回后，再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。這樣CPU就可以正確的繼續(xù)執(zhí)行了。

在計(jì)算機(jī)中，你常可以看到上下文這個(gè)詞，對(duì)應(yīng)的英文是context。那么：

1.1.什么叫做上下文context

保存現(xiàn)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(dāng)前CPU運(yùn)行有關(guān)系的內(nèi)容，即那些你用到寄存器。所以，和上面的現(xiàn)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(duì)應(yīng)的某些寄存器的值，一個(gè)個(gè)放到堆棧中，把對(duì)應(yīng)的值壓入到堆棧里面，即所謂的壓棧。

然后待被調(diào)用的子函數(shù)執(zhí)行完畢的時(shí)候，再調(diào)用pop，把堆棧中的一個(gè)個(gè)的值，賦值給對(duì)應(yīng)的那些你剛開始?jí)簵r(shí)用到的寄存器，把對(duì)應(yīng)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?yàn)橛胋l指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的話，那么之前的pc的值是存在lr中的)，然后在子程序執(zhí)行完畢的時(shí)候，再把堆棧中的lr的值pop出來，賦值給pc，這樣就實(shí)現(xiàn)了子函數(shù)的正確的返回。

2

傳遞參數(shù)

C語言進(jìn)行函數(shù)調(diào)用的時(shí)候，常常會(huì)傳遞給被調(diào)用的函數(shù)一些參數(shù)，對(duì)于這些C語言級(jí)別的參數(shù)，被編譯器翻譯成匯編語言的時(shí)候，就要找個(gè)地方存放一下，并且讓被調(diào)用的函數(shù)能夠訪問，否則就沒發(fā)實(shí)現(xiàn)傳遞參數(shù)了。對(duì)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(shù)就很少，就可以通過寄存器傳送參數(shù)。

因?yàn)樵谇懊娴谋４娆F(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)作中，已經(jīng)保存好了對(duì)應(yīng)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(shù)，而參數(shù)少的情況下，就足夠存放參數(shù)了，比如參數(shù)有2個(gè)，那么就用r0和r1存放即可。(關(guān)于參數(shù)1和參數(shù)2，具體哪個(gè)放在r0，哪個(gè)放在r1，就是和APCS中的“在函數(shù)調(diào)用之間傳遞/返回參數(shù)”相關(guān)了，APCS中會(huì)有詳細(xì)的約定。感興趣的自己去研究。)

但是如果參數(shù)太多，寄存器不夠用，那么就得把多余的參數(shù)堆棧中了。

即，可以用堆棧來傳遞所有的或寄存器放不下的那些多余的參數(shù)。

3

舉例分析C語言函數(shù)調(diào)用是如何使用堆棧的

對(duì)于上面的解釋的堆棧的作用顯得有些抽象，此處再用例子來簡(jiǎn)單說明一下，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(zhí)行的匯編代碼，其中我們可以看到C語言的函數(shù)的源代碼，到底對(duì)應(yīng)著那些匯編代碼。

下面貼出兩個(gè)函數(shù)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(shù)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(shù)第一行：

1. 33d009b0: e3a02313 mov r2, #1275068416 ; 0x4c000000

就沒有我們所期望的push指令，沒有去將一些寄存器的值放到堆棧中。這是因?yàn)?，我們clock_init這部分的內(nèi)容，所用到的r2,r3等等寄存器，和前面調(diào)用clock_init之前所用到的寄存器r0，沒有沖突，所以此處可以不用push去保存這類寄存器的值，不過有個(gè)寄存器要注意，那就是r14，即lr，其是在前面調(diào)用clock_init的時(shí)候，用的是bl指令，所以會(huì)自動(dòng)把跳轉(zhuǎn)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

就是我們常見的mov pc, lr，把lr的值，即之前保存的函數(shù)調(diào)用時(shí)候的PC值，賦值給現(xiàn)在的PC，這樣就實(shí)現(xiàn)了函數(shù)的正確的返回，即返回到了函數(shù)調(diào)用時(shí)候下一個(gè)指令的位置。

這樣CPU就可以繼續(xù)執(zhí)行原先函數(shù)內(nèi)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?yàn)樗^的保存現(xiàn)場(chǎng)，以后后續(xù)函數(shù)返回時(shí)候再恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，而用push去保存lr，那是因?yàn)榇撕瘮?shù)里面，還有其他函數(shù)調(diào)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。而對(duì)應(yīng)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，還給對(duì)應(yīng)的寄存器，其中最后一個(gè)是將開始push的lr的值，pop出來給賦給PC，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了函數(shù)的返回。另外，我們注意到，在CopyCode2Ram的倒數(shù)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r0寄存器的。

此處的返回值是0，也對(duì)應(yīng)著C語言的源碼中的“return 0”.

對(duì)于使用哪個(gè)寄存器來傳遞返回值：

當(dāng)然你也可以用其他暫時(shí)空閑沒有用到的寄存器來傳遞返回值，但是這些處理方式，本身是根據(jù)ARM的APCS的寄存器的使用的約定而設(shè)計(jì)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處理，這樣程序更加符合規(guī)范。