概要
本篇博客主要包括兩個方面的內容：
- 整理棧涉及到的一些基本概念、ARM架構下棧相關的操作指令；
- 分析一個函數調用實例。
* 棧的基本知識
棧的概念
- 棧
首先，棧是一種先進后出（FILO）的數據結構，棧底是第一個進棧數據所在的位置，棧頂是最后一個進棧數據所在的位置。
其次，棧也是內存中的一段特殊空間，用於存放函數參數、函數上下文（寄存器）、函數返回地址、局部變量等。
Ps. 返回值一般是在R0寄存器中返回，不使用棧。
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棧幀
系統在運行過程中，會為每個進程分配一個棧空間（互不干擾），而進程中的每個函數在被調用時會分配棧上的一塊連續的空間區域，這個空間區域就是棧幀，函數在執行過程中可以隨意使用屬於自己棧幀上的空間，當函數返回時，棧幀空間將被收回，后續可能會分配給其他函數使用。每個函數的棧幀使用棧頂指針和棧底指針來界定。如下圖所示：
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棧的相關寄存器和指針
| 寄存器 | 名稱 | 功能 |
|---|---|---|
| R11 | frame pointer，FP寄存器 | 用於保存FP指針，即棧底指針 |
| R12 | IP寄存器 | 用於暫存SP，即棧頂 |
| R13 | stack pointer，SP寄存器 | 用於保存SP指針，即棧頂指針 |
| R14 | link register，LR寄存器 | 用於保存函數的返回地址 |
| R15 | PC寄存器 | 用於保存程序計數器的值 |
棧的分類
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滿/空棧【Full/Empty】
根據SP指針指向的位置，棧可分為滿棧和空棧，如下圖：
SP指向最后入棧的數據時為滿棧（左圖）；SP指向下一個將要放入數據的空位置時為空棧（右圖）。形象的理解為，SP指針指向最后一個數據，這個棧沒有空位置，那就是滿的；而當SP指針指向一個空位置，那么這個棧就不滿，就是空的。
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升/降棧【Ascending/Descending】
根據SP指針的移動方向，棧可以分為升棧和降棧，如下圖：
當數據入棧時，SP指針從低地址向高地址移動（即棧的生長方向為Low->High），此為升棧（左圖）；相反的，SP指針從高地址向低地址移動（即棧的生長方向為High->Low），此為降棧（右圖）。
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棧的四種情況
綜上，兩兩結合可以得到四種類型的棧，即：
| 滿降棧FD | 滿升棧FA | 空降棧ED | 空升棧EA |
|---|---|---|---|
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Ps. ARM為滿降棧。
棧相關指令（存取指令）
##以32位ARM為例，ARM64中棧的指令有所改變##
首先需要明確的一點是，存取指令有很多，但實際的使用需要結合棧的種類。如果是滿棧的話，肯定是需要先改變SP指針再壓棧；出棧則相反，需要先出棧，再改變SP指針。而如果是空棧，壓棧時先壓入數據，再改變SP指針；出棧時，先移動SP指針，再彈出數據。
批量存取指令為：LDM（取）和STM（存），即load multiple & store multiple。
結合四種類型的棧，那么就會存在以下四對存取指令：
| 😃 | 滿降棧 | 滿升棧 | 空降棧 | 空升棧 |
|---|---|---|---|---|
| 批量存 | STMFD | STMFA | STMED | STMEA |
| 批量取 | LDMFD | LDMFA | LDMED | LDMEA |
ARM是滿降棧，因此使用STMFD和LDMFD指令。
STMFD指令即向棧中壓入多個數據，采用事先遞減方式（DB，before decrease），先將SP指針減小，再壓入數據；
LDMFD指令即彈出棧中的多個數據，采用事后遞增方式（IA，after increase），先彈出數據，再將SP指針增大。
其他指令類似，在這里不做過多討論。重點是要理解不同類型棧的壓棧和出棧規律。
Ps. 此外還有事后遞減（DA）和事先遞增（IB）方式。
* 函數調用實例分析棧的變化
下面看一個實例，如下圖，main函數調用test_b函數，在test_b函數中首先是函數序言（Prologue，一般用於在棧中保存一些環境變量等），然后是test_b函數的函數體（完成相應功能），最后是函數結語（Epilogue，一般用於恢復棧中保存的變量，准備好返回main函數的環境）。
函數序言
執行STMFD指令，向棧中壓入R11和LR，即main函數的FP指針和返回地址，確保test_b函數執行完畢后可以正確返回main函數中的相應位置繼續執行后續指令以及可以正確恢復main函數的棧幀。隨着數據的壓入，SP = SP - 8。
執行ADD指令，更新當前的棧底指針（R11寄存器，FP指針），指向test_b函數棧幀的棧底。
執行SUB指令，抬高棧頂，為test_b函數創建棧幀，后續代碼的執行可以用到這塊棧空間。
以上過程示意圖如下：
函數結語
執行SUB指令，更新SP = FP - 4，即指向保存的R11值。
執行LDMFD指令，彈出之前保存的main函數棧底指針，以及返回地址賦值給PC寄存器，這樣的話main函數的執行流和棧幀全部恢復了，然后SP = SP + 8。
以上過程示意圖如下：
參考鏈接
- ARM匯編之棧與函數 函數調用棧示例分析
- ARM-棧 棧的基本概念和作用
- ARM下C語言棧幀機制
- [arm-匯編stmdb、ldmia、stmfd、ldmfd]