鸿蒙内核源码分析(用栈方式篇) | 栈是构建底层运行的基础 | 中文注解HarmonyOS源码 | v20.04

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精读内核源码就绕不过汇编语言,鸿蒙内核有6个汇编文件,读不懂它们就真的很难理解以下问题.

1.系统调用是如何实现的?

2.CPU是如何切换任务和进程上下文的?

3.硬件中断是如何处理的?

4.main函数到底是怎么来的?

5.开机最开始发生了什么?

6.关机最后的最后又发生了什么?

以下是一个很简单的C文件编译成汇编代码后的注解. 读懂这些注解会发现汇编很可爱,甚至还会上瘾,并没有想象中的那么恐怖,读懂它会颠覆你对汇编和栈的认知.

#include 
#include 

int square(int a,int b){
    return a*b;
}

int fp(int b)
{
    int a = 1;
    return square(a+b,a+b);
}

int main()
{
    int sum = 1;
    for(int a = 0;a < 100; a++){
        sum = sum + fp(a);
    }
    return sum;
}

//编译器: armv7-a clang (trunk)
square(int, int):
        sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给square分配栈空间,只用2个栈空间完成计算
        str     r0, [sp, #4]   @第一个参数入栈
        str     r1, [sp]       @第二个参数入栈
        ldr     r1, [sp, #4]   @取出第一个参数给r1
        ldr     r2, [sp]       @取出第二个参数给r2
        mul     r0, r1, r2     @执行a*b给R0,返回值的工作一直是交给R0的
        add     sp, sp, #8     @函数执行完了,要释放申请的栈空间
        bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处
fp(int):
        push    {r11, lr}      @r11(fp)/lr入栈,保存调用者main的位置
        mov     r11, sp        @r11用于保存sp值,函数栈开始位置 
        sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给fp分配栈空间,只用2个栈空间完成计算
        str     r0, [sp, #4]   @先保存参数值,放在SP+4,此时r0中存放的是参数
        mov     r0, #1         @r0=1
        str     r0, [sp]       @再把1也保存在SP的位置
        ldr     r0, [sp]       @把SP的值给R0
        ldr     r1, [sp, #4]   @把SP+4的值给R1
        add     r1, r0, r1     @执行r1=a+b
        mov     r0, r1         @r0=r1,用r0,r1传参
        bl      square(int, int)@先mov lr, pc 再mov pc square(int, int)   
        mov     sp, r11        @函数执行完了,要释放申请的栈空间 
        pop     {r11, lr}      @弹出r11和lr,lr是专用标签,弹出就自动复制给lr寄存器
        bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处
main:
        push    {r11, lr}      @r11(fp)/lr入栈,保存调用者的位置
        mov     r11, sp        @r11用于保存sp值,函数栈开始位置
        sub     sp, sp, #16    @sp减去8,意思为给main分配栈空间,只用2个栈空间完成计算
        mov     r0, #0         @初始化r0
        str     r0, [r11, #-4] @作用是保存SUM的初始值 
        str     r0, [sp, #8]   @sum将始终占用SP+8的位置
        str     r0, [sp, #4]   @a将始终占用SP+4的位置
        b       .LBB1_1        @跳到循环开始位置
.LBB1_1:                       @循环开始位置入口
        ldr     r0, [sp, #4]   @取出a的值给r0
        cmp     r0, #99        @跟99比较
        bgt     .LBB1_4        @大于99,跳出循环 mov pc .LBB1_4
        b       .LBB1_2        @继续循环,直接 mov pc .LBB1_2
.LBB1_2:                       @符合循环条件入口
        ldr     r0, [sp, #8]   @取出sum的值给r0,sp+8用于写SUM的值
        str     r0, [sp]       @先保存SUM的值,SP的位置用于读SUM值
        ldr     r0, [sp, #4]   @r0用于传参,取出A的值给r0作为fp的参数
        bl      fp(int)        @先mov lr, pc再mov pc fp(int)
        mov     r1, r0         @fp的返回值为r0,保存到r1
        ldr     r0, [sp]       @取出SUM的值
        add     r0, r0, r1     @计算新sum的值,由R0保存
        str     r0, [sp, #8]   @将新sum保存到SP+8的位置
        b       .LBB1_3        @无条件跳转,直接 mov pc .LBB1_3
.LBB1_3:                       @完成a++操作入口
        ldr     r0, [sp, #4]   @SP+4中记录是a的值,赋给r0
        add     r0, r0, #1     @r0增加1
        str     r0, [sp, #4]   @把新的a值放回SP+4里去
        b       .LBB1_1        @跳转到比较 a < 100 处
.LBB1_4:                       @循环结束入口
        ldr     r0, [sp, #8]   @最后SUM的结果给R0,返回值的工作一直是交给R0的
        mov     sp, r11        @函数执行完了,要释放申请的栈空间
        pop     {r11, lr}      @弹出r11和lr,lr是专用标签,弹出就自动复制给lr寄存器
        bx      lr             @子程序返回,跳转到lr处等同于 MOV PC, LR

这个简单的汇编并不是鸿蒙的汇编,只是先打个底,由浅入深, 但看懂了它基本理解鸿蒙汇编代码没有问题, 后续将详细分析鸿蒙内核各个汇编文件的作用.
开始分析上面的汇编代码.

第一: 上面的代码和鸿蒙内核用栈方式一样,都采用了递减满栈的方式, 什么是递减满栈? 递减指的是栈底地址高于栈顶地址,满栈指的是SP指针永远在栈顶.一定要理解递减满栈,否则读不懂内核汇编代码.举例说明:

square(int, int):
        sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给square分配栈空间,只用2个栈空间完成计算
        str     r0, [sp, #4]   @第一个参数入栈
        str     r1, [sp]       @第二个参数入栈
        ldr     r1, [sp, #4]   @取出第一个参数给r1
        ldr     r2, [sp]       @取出第二个参数给r2
        mul     r0, r1, r2     @执行a*b给R0,返回值的工作一直是交给R0的
        add     sp, sp, #8     @函数执行完了,要释放申请的栈空间
        bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处

首句汇编的含义就是申请栈空间, sp = sp - 8 ,一个栈内单元(栈空间)占4个字节,申请2个栈空间搞定函数的计算,仔细看下代码除了在函数的末尾 sp = sp + 8 又恢复在之前的位置的中间过程,SP的值是没有任务变化,它的指向是不动的, 这跟很多人对栈的认知是不一样的,它只是被用于计算,例如
ldr r1, [sp, #4] 的意思是取出SP+4这个虚拟地址的值给r1寄存器,SP的值并没有改变的,为什么要+呢,因为SP是指向栈顶的,地址是最小的. 满栈就是用栈过程中对地址的操作不能超过SP,所以你很少在计算过程中看到 把sp-4地址中的值给某个寄存器, 除非是特别的指令,否则不可能有这样的指令.

第二: sub sp, sp, #8 和 add sp, sp, #8 是成对出现的,这就跟申请内存,释放内存的道理一样,这是内核对任务的运行栈管理方式,一样用多少申请多少,用完释放.空间大小就是栈帧,这是栈帧的本质含义.

第三: push {r11, lr} 和 pop {r11, lr} 也是成对出现的,主要是用于函数调用,例如 A -> B, B要保存A的栈帧范围和指令位置, lr保存是是A函数执行到哪个指令的位置, r11干了fp的工作,其实就是指向 A的栈顶位置,如此B执行完后return回A的时候,先mov pc,lr 内核就知道改执行A的哪条指令了,同时又知道了A的栈顶位置.

第四: 频繁出现的R0寄存器的作用用于传参和返回值, A调用B之前,假如有两个参数,就把参数给r0 ,r1记录,充当了A的变量, 到了B中后,先让 r0,r1入栈,目的是保存参数值, 因为 B中要用r0,r1 ,他们变成B的变量用了. 返回值都是默认统一给r0保存. B中将返回值给r0,回到A中取出R0值对A来说这就是B的返回值.

这是以上为汇编代码的分析,追问两个问题

第一:如果是可变参数怎么办? 100个参数怎么整, 通过寄存器总共就12个,不够传参啊
第二:返回值可以有多个吗?

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