ARM二进制程序的函数调用过程栈的变化详解

概要

本篇博客主要包括两个方面的内容：

1. 整理栈涉及到的一些基本概念、ARM架构下栈相关的操作指令；
2. 分析一个函数调用实例。

* 栈的基本知识

栈的概念

• 栈
  首先，栈是一种先进后出（FILO）的数据结构，栈底是第一个进栈数据所在的位置，栈顶是最后一个进栈数据所在的位置。
  其次，栈也是内存中的一段特殊空间，用于存放函数参数、函数上下文（寄存器）、函数返回地址、局部变量等。

Ps. 返回值一般是在R0寄存器中返回，不使用栈。

• 栈帧
  系统在运行过程中，会为每个进程分配一个栈空间（互不干扰），而进程中的每个函数在被调用时会分配栈上的一块连续的空间区域，这个空间区域就是栈帧，函数在执行过程中可以随意使用属于自己栈帧上的空间，当函数返回时，栈帧空间将被收回，后续可能会分配给其他函数使用。每个函数的栈帧使用栈顶指针和栈底指针来界定。如下图所示：
  

• 栈的相关寄存器和指针

寄存器	名称	功能
R11	frame pointer，FP寄存器	用于保存FP指针，即栈底指针
R12	IP寄存器	用于暂存SP，即栈顶
R13	stack pointer，SP寄存器	用于保存SP指针，即栈顶指针
R14	link register，LR寄存器	用于保存函数的返回地址
R15	PC寄存器	用于保存程序计数器的值

栈的分类

• 满/空栈【Full/Empty】
  根据SP指针指向的位置，栈可分为满栈和空栈，如下图：
  

  SP指向最后入栈的数据时为满栈（左图）；SP指向下一个将要放入数据的空位置时为空栈（右图）。形象的理解为，SP指针指向最后一个数据，这个栈没有空位置，那就是满的；而当SP指针指向一个空位置，那么这个栈就不满，就是空的。

• 升/降栈【Ascending/Descending】
  根据SP指针的移动方向，栈可以分为升栈和降栈，如下图：
  

  当数据入栈时，SP指针从低地址向高地址移动（即栈的生长方向为Low->High），此为升栈（左图）；相反的，SP指针从高地址向低地址移动（即栈的生长方向为High->Low），此为降栈（右图）。

• 栈的四种情况
  综上，两两结合可以得到四种类型的栈，即：

满降栈FD	满升栈FA	空降栈ED	空升栈EA

Ps. ARM为满降栈。

栈相关指令（存取指令）

##以32位ARM为例，ARM64中栈的指令有所改变##

首先需要明确的一点是，存取指令有很多，但实际的使用需要结合栈的种类。如果是满栈的话，肯定是需要先改变SP指针再压栈；出栈则相反，需要先出栈，再改变SP指针。而如果是空栈，压栈时先压入数据，再改变SP指针；出栈时，先移动SP指针，再弹出数据。

批量存取指令为：LDM（取）和STM（存），即load multiple & store multiple。

结合四种类型的栈，那么就会存在以下四对存取指令：

😃	满降栈	满升栈	空降栈	空升栈
批量存	STMFD	STMFA	STMED	STMEA
批量取	LDMFD	LDMFA	LDMED	LDMEA

ARM是满降栈，因此使用STMFD和LDMFD指令。
STMFD指令即向栈中压入多个数据，采用事先递减方式（DB，before decrease），先将SP指针减小，再压入数据；
LDMFD指令即弹出栈中的多个数据，采用事后递增方式（IA，after increase），先弹出数据，再将SP指针增大。
其他指令类似，在这里不做过多讨论。重点是要理解不同类型栈的压栈和出栈规律。

Ps. 此外还有事后递减（DA）和事先递增（IB）方式。

* 函数调用实例分析栈的变化

下面看一个实例，如下图，main函数调用test_b函数，在test_b函数中首先是函数序言（Prologue，一般用于在栈中保存一些环境变量等），然后是test_b函数的函数体（完成相应功能），最后是函数结语（Epilogue，一般用于恢复栈中保存的变量，准备好返回main函数的环境）。

函数序言
执行STMFD指令，向栈中压入R11和LR，即main函数的FP指针和返回地址，确保test_b函数执行完毕后可以正确返回main函数中的相应位置继续执行后续指令以及可以正确恢复main函数的栈帧。随着数据的压入，SP = SP - 8。
执行ADD指令，更新当前的栈底指针（R11寄存器，FP指针），指向test_b函数栈帧的栈底。
执行SUB指令，抬高栈顶，为test_b函数创建栈帧，后续代码的执行可以用到这块栈空间。

以上过程示意图如下：

函数结语
执行SUB指令，更新SP = FP - 4，即指向保存的R11值。
执行LDMFD指令，弹出之前保存的main函数栈底指针，以及返回地址赋值给PC寄存器，这样的话main函数的执行流和栈帧全部恢复了，然后SP = SP + 8。

以上过程示意图如下：

参考链接

1. ARM汇编之栈与函数 函数调用栈示例分析
2. ARM-栈 栈的基本概念和作用
3. ARM下C语言栈帧机制
4. [arm-汇编stmdb、ldmia、stmfd、ldmfd]