为何C语言（的函数调用）需要堆栈，而汇编语言却不需要堆栈

为何C语言（的函数调用）需要堆栈，而汇编语言却不需要堆栈

之前看了很多关于uboot的分析，其中就有说要为C语言的运行，准备好堆栈。

而自己在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。所以，接下来的内容，就是经过一定的探究，试图来解释一下，为何要初始化堆栈，即：

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。

 

 

要明白这个问题，首先要了解堆栈的作用。

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。

总的来说，堆栈的作用就是：保存现场/上下文，传递参数。

 

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。

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：

1.1.什么叫做上下文context

保存现场，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。

 

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。

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。

 

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。

2.传递参数

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。

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。

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。）

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。

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。

3.举例分析C语言函数调用是如何使用堆栈的

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

复制代码

 

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。

 

下面贴出两个函数的汇编代码，

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：

 

 

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

复制代码

 

 

（1）clock_init部分的代码

可以看到该函数第一行：

 

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

复制代码

 

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。

而clock_init的代码的最后一行:

 

1. 33d009f8: e1a0f00e mov pc, lr

复制代码

 

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。

这样CPU就可以继续执行原先函数内剩下那部分的代码了。

 

（2）CopyCode2Ram部分的代码

其第一行：

 

1. 33d0091c: e92d4070 push {r4, r5, r6, lr}

复制代码

 

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
   
2. ... ...
   
3. 33d00984:  ebffff14   bl  33d005dc
   
4. ... ...

复制代码

 

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：

1. 33d009ac: e8bd8070 pop {r4, r5, r6, pc}

复制代码

 

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：

1. 33d009a8: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0

复制代码

 

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。

此处的返回值是0，也对应着C语言的源码中的“return 0”.

 

 

对于使用哪个寄存器来传递返回值：

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。