关于函数栈帧 StackFrame

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关于函数栈帧 StackFrame

关于函数栈帧 StackFrame

在 rCore 文档中对函数栈帧的解读中有两处不好理解，ra 和 fp.

首先可以先考虑一个进程的内存，应该有内核栈、用户栈、代码库、用户堆、数据和代码等等组成（参考《现代操作系统：原理与实现》）。如果问AI这个问题或者是网络上的blog，会说由代码段、数据段、BSS段、堆和栈组成。

内存区域	存储内容	权限	动态性
代码段	可执行指令（`.text` 段）	只读+执行	静态
数据段	已初始化的全局/静态变量（`.data`）	可读+写	静态
BSS 段	未初始化的全局/静态变量（`.bss`）	可读+写	静态（清零）
堆（Heap）	动态分配的内存（`malloc` 等）	可读+写	动态增长
栈（Stack）	函数调用栈帧、局部变量	可读+写	动态增长

函数的栈帧保存在栈区域中，执行的代码保存在代码段中。

关于一个栈帧包含什么，可以见函数调用过程中的栈帧与内存管理一篇。一个栈从高地址向低地址延申，fp 表示栈底所在的位置（高地址，Frame Pointer），sp 表示栈顶（低地址，Stack Pointer）。在32位的x86架构上这两个值分别用 ebp 和 esp 表示，64位上是 rbp 和 rsp.

不妨使用一个简单的代码来探究。根据函数调用的内存对齐规则，故有sub rsp, 8一句。

操作	对 `rsp` 的影响	对齐状态
`call main`	`rsp -= 8`（压入返回地址）	未对齐（`rsp%16=8`）
`sub rsp, 8`	`rsp -= 8`（主动调整）	对齐（`rsp%16=0`）
`call printf`	`rsp -= 8`（压入返回地址）	未对齐（`rsp%16=8`）
`add rsp, 8`	`rsp += 8`（恢复调整）	对齐（`rsp%16=0`）

li a1, -16 的作用是将立即数 -16 加载到寄存器 a1 中，其他的指令可以参考运算与控制流指令和When to use j, jal, Jr, jalr?.

注意RISC-V是小端序，高位是 %hi()，低位 %lo().

说回 ra 和 fp 的作用。ra 字面意思是返回地址，指的是当前函数执行完毕后应返回的地址，在函数返回前要从栈中加载 ra，然后通过 ret/jr 跳转回调用者。也就是说 ra 是之前被调用处的一个中断的地址位置。fp (preview fp) 是父函数栈帧的帧指针，也就是要恢复的父函数栈帧基址。

ra 主要指的是函数调用，fp 是栈帧。

假设函数 A 调用函数 B：

进入 B 时：
- B 的栈帧保存 A 的 ra（返回地址）和 A 的 fp（父帧指针）。
- B 的 fp 被设置为当前栈帧的基址（如 sp + offset）。
退出 B 时：
- 从栈中恢复 A 的 ra 到 ra 寄存器，恢复 A 的 fp 到 fp 寄存器。
- 调整 sp 释放 B 的栈空间，通过 ret 跳转回 A 继续执行。