ARM下C语言栈帧机制

背景：

    最近在某个RTOS上遇到一个系统BUG，几经折腾，终于将其斩于马下。结局美好，过程却很曲折，在分析定位问题的时候，顺便把ARM上C函数调用stack frame机制捋了一遍，记录并分享一下。

概念：

栈：

1）从数据结构的角度来理解，栈是一种描述先进后出的数据结构；

2）从进程的内存空间角度来理解，栈是一种特殊的内存段，用于存放局部变量、函数参数、返回值等；

第一种角度，用来描述本身的特性，第二种角度，是将这种数据结构的特性用于实际的内存空间中。

栈帧：每个进程都会有自己的栈空间，而进程中的各个函数也会维护自己本身的一个栈的区域，这个区域就是栈帧。那么一个函数的栈帧的区域是如何来界定的呢？当然，我首先会普及ARM的几个特殊寄存器功能。

R11：frame pointer，FP寄存器

R12：IP寄存器，用于暂存SP

R13：stack pointer，SP寄存器

R14：link register，LR寄存器

R15：PC寄存器

而在ARM上，函数的栈帧是由SP寄存器和FP寄存器来界定的，相信你应该见过下边这张比较经典的图了：

    上图描述的是main函数调用func1函数的栈帧情况，从图可知，当main函数调用func1函数时，func1函数会先将PC、LR、SP、FP四个寄存器压到栈上边，其中SP和FP的值分别指向main函数栈帧的两个边界，LR的值保存的是func1调用结束之后的返回值，PC值表示的是当前执行到的指令地址，放置的是进入func1后的指令地址。紧接着就会在栈上分配一片区域，用于放置局部变量等。

    如果func1中还调用了func2子函数，那么也会为func2创建一个栈帧，并且func2的SP和FP会指向func1栈帧的两个边界。这样当函数返回的时候，参数进行出栈，也能找到Caller函数，这个也就是backtrace的原理了。

示例：

    反汇编分析某段代码，如下图所示：

红色部分，表明进入到函数时先将几个特殊的寄存器压栈

黄色部分，sub sp, sp, #16，表明开辟一个4 x 32bit大小的栈区域

蓝色部分，将传入的参数压栈，在ARM ATPCS中规定，寄存器R0-R3用来传参

绿色部分，调用子函数

    那么，我们顺道看看子函数的栈帧区域吧：

    从图中可以看出，机制是一样的，当最终queue_push函数调用结束后，栈上的数据进行出栈，根据fp和ip，便能找到workflow_gather_input函数的栈帧了。

    当然，并不是所有函数调用都需要先push  {fp, ip, lr, pc}，当子函数调用过程中，并不会去改变这些值的时候，就不需要压栈，说白了，压栈的目的就是为了在使用完的时候能恢复原来的状态。我会再次提供一个例子：

    strlen函数中没有子函数的调用，所以进入函数后，直接就在栈上分配4 * 32bit大小的区域了。

    栈里边能分析出每个参数的值，以及函数调用时的传参，这对分析与定位问题很有帮助。成熟的系统可能会提供一堆工具来dump stack，并去分析调用关系，但是在RTOS上，很多却并不完善，需要一定的低层知识去分析才能解决问题。