arm函数调用中的堆栈变化

arm函数调用中的堆栈变化
在计算机的运行过程中，函数调用是一种常见的操作。

当程序调用一个函数时，需要先将当前的运行状态（例如当前指令的地址、堆栈指针等）保存在堆栈中，然后跳转到函数中执行。

函数执行完毕后，再从堆栈中恢复之前的运行状态，继续执行原来的程序。

这个过程中，堆栈扮演了一个非常重要的角色。

本文将介绍在ARM架构中，函数调用时堆栈的变化。

1. 堆栈的基本概念
在程序中，有一片内存区域被用来存放函数的局部变量和一些临时变量，称为堆栈。

堆栈是一个先进后出的数据结构，即最后存入的数据最先弹出。

当程序调用一个函数时，会在堆栈中分配一段空间来存放函数的参数、局部变量、返回地址等信息。

当函数返回时，这些信息会从堆栈中弹出，恢复程序之前的状态。

在ARM架构中，堆栈的地址是4字节对齐的，即堆栈指针（SP）的值必须是4的倍数。

这是因为ARM指令集中的大多数指令都是以4字节为单位的，如果SP不是4字节对齐的，那么执行指令时会出错。

2. 函数调用时堆栈的变化
当程序调用一个函数时，堆栈的变化可以分为以下几个步骤：
（1）保存寄存器
在ARM架构中，函数调用过程中一些重要的状态信息通常保存在寄存器中。

为了不影响原程序的运行，需要在堆栈中保存这些寄存器的值。

这些寄存器包括：R0~R3（函数参数）、R14（LR，返回地址）、R13（SP，堆栈指针）、R11（FP，帧指针）等。

在进入函数之前，需要将这些寄存器的值压入堆栈中。

具体操作为：
``` PUSH {R0-R3, R11, LR} ```
以上指令将R0~R3、R11、LR的值压入堆栈中。

其中，LR保存的是返回地址，R11保存的是帧指针（Frame Pointer，FP）。

FP是一个指针，指向当前函数的栈帧，用于访问局部变量。

堆栈指针SP也需要被保存，但不是在这里保存，而是在进入函数之前保存。

（2）分配空间
在堆栈中为当前函数分配空间，用于存放参数、局部变量和其它临时变量。

分配的空间的大小由当前函数所需的局部变量和参数决定。

在分配空间之前，要先保存堆栈指针SP的值。

具体操作为：
``` SUB SP, SP, #8 ```
以上指令将SP减去8，表示在堆栈中为当前函数分配8字节的空间。

这个空间可以用来存放函数的参数和临时变量。

注意，这里分配的空间大小必须是4字节的倍数，以
保证堆栈是4字节对齐的。

（3）传递参数
将函数的参数传递给被调用的函数。

ARM中的前4个
参数可以直接存放在R0~R3中，超过4个参数的部分需要
压入堆栈中。

如果有浮点类型的参数，需要使用寄存器
S0~S15和D0~D7来传递。

具体操作为：
``` MOV R0, #1 MOV R1, #2 MOV R2, #3 MOV R3, #4 ```
以上指令将4个整型参数传递给被调用的函数。

如果有超过4个参数的部分，需要使用STMFD（Store Multiple with Decrement）指令将多余的参数压入堆栈中。

例如：``` STMFD SP!, {R4-R7} ```
以上指令将R4~R7的值压入堆栈中，并将堆栈指针SP 的值减去16（4个寄存器，每个寄存器4字节），以指向
下一个空闲的位置。

（4）调用函数
跳转到被调用函数的入口地址，并将返回地址（函数调用后要返回的地址）保存在LR寄存器中。

具体操作为：``` BL subfunction ```
以上指令调用名为subfunction的子函数，并将跳转前的下一条指令地址保存在LR寄存器中。

BL指令实际上是一个伪指令，它会将当前指令的地址加上8（因为ARM指令的长度是4字节），然后将计算出的地址保存在LR寄存器中。

返回地址的值等于LR寄存器的值，因此LR寄存器中的值是调用函数前的指令地址。

（5）执行被调用函数
被调用函数开始执行，并分配自己的局部变量和临时变量。

这些变量存放在被调用函数的栈帧中，由帧指针FP 来访问。

堆栈指针SP也会变化，指向当前函数的栈顶。

函数执行过程中，需要访问局部变量和参数，可以使用FP和SP来计算变量的地址。

例如：
``` MOV R4, R0 ADD R4, R4, R1 STR R4, [FP, #-4] ```
以上指令将函数的前两个参数相加，并将结果存放在局部变量中。

注意，这里使用FP来访问局部变量，使用SP 来访问栈空间中存放的参数。

（6）返回函数
被调用函数执行结束后，需要将结果返回给调用函数。

在ARM中，函数的返回值通常存放在R0中。

返回函数的指令为：
``` MOV R0, #0 POP {R0-R3, R11, PC} ```
以上指令将R0中的值作为函数的返回值，并从堆栈中弹出寄存器的值。

注意，返回地址保存在LR寄存器中，可以使用POP指令一并弹出，并跳转到返回地址。

POP指令的参数格式和PUSH指令相反，用于弹出堆栈中保存的寄存器值。

3. 总结
在ARM架构中，函数调用时堆栈的变化涉及到寄存器的保存、空间的分配、参数的传递、函数的调用和返回，以及局部变量和临时变量的使用。

了解堆栈的变化对于理解ARM汇编语言和优化函数调用非常有帮助。

可以通过调试器或者汇编代码来观察堆栈的变化，加深对堆栈的理解。