【CPU】堆栈和堆栈指针（个人草稿）

详细的 CPU 中堆栈指针（Stack Pointer, SP）及相关知识介绍

1. 什么是堆栈？

堆栈（Stack） 是一种后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构，广泛用于计算机系统中，尤其是在程序执行过程中管理函数调用、局部变量、返回地址等。堆栈通常位于内存的特定区域，称为 堆栈段 或栈区。

特性：
- 后进先出（LIFO）：最后入栈的数据最先被弹出。
- 自动管理：大多数编程语言和操作系统会自动管理堆栈的分配和释放，程序员不需要手动操作。
- 快速访问：由于堆栈的操作（如压栈和弹栈）非常简单，因此访问速度较快。

2. 堆栈指针（Stack Pointer, SP）

堆栈指针（SP） 是一个特殊的寄存器，用于指向当前堆栈的顶部（即最后一个被压入堆栈的数据项）。每次有数据被压入或弹出堆栈时，堆栈指针都会相应地更新，以确保它始终指向堆栈的最新位置。

作用：
- 指示堆栈顶部：SP 寄存器保存了当前堆栈的顶部地址，使得处理器可以快速访问最新的数据。
- 动态调整：随着程序的执行，函数调用、局部变量的创建和销毁会导致堆栈的大小发生变化，SP 会根据这些变化动态调整。
- 支持函数调用：在函数调用时，返回地址、参数和局部变量会被压入堆栈，而 SP 会相应地移动。当函数返回时，SP 会恢复到调用前的位置。

3. 堆栈的工作原理

堆栈的工作原理可以通过以下步骤来理解：

初始化堆栈：
- 在程序启动时，操作系统会为每个进程分配一段内存作为堆栈空间，并将 SP 初始化为该内存区域的顶部（或底部，取决于堆栈的增长方向）。
- 堆栈通常从高地址向低地址增长（称为 向下生长），但有些架构也可能从低地址向高地址增长（称为 向上生长）。RISC-V 默认采用 向下生长 的堆栈。
压栈（Push）：
- 当需要将数据压入堆栈时，CPU 会执行 push 指令（或等效操作）。首先，SP 会减小（对于向下生长的堆栈），然后将数据写入新的堆栈顶部。
- 例如，在 RISC-V 中，sp 寄存器会减去 4 字节（32 位系统）或 8 字节（64 位系统），然后将数据存储到该地址。
弹栈（Pop）：
- 当需要从堆栈中弹出数据时，CPU 会执行 pop 指令（或等效操作）。首先，从当前堆栈顶部读取数据，然后 SP 会增加（对于向下生长的堆栈），从而恢复到之前的状态。
- 例如，在 RISC-V 中，sp 寄存器会加上 4 字节（32 位系统）或 8 字节（64 位系统），然后从该地址读取数据。
函数调用与返回：
- 函数调用：当调用一个函数时，返回地址、参数和局部变量会被压入堆栈。SP 会相应地移动，指向新的堆栈顶部。
- 函数返回：当函数执行完毕时，局部变量会被弹出堆栈，返回地址会被恢复，控制流返回到调用者。SP 会恢复到调用前的位置。

4. 堆栈帧（Stack Frame）

堆栈帧 是每次函数调用时在堆栈上创建的一个独立区域，用于存储该函数的局部变量、参数、返回地址等信息。每个函数调用都会创建一个新的堆栈帧，函数返回时会销毁该帧。

堆栈帧的组成：
- 返回地址：函数调用时，返回地址会被压入堆栈，以便在函数执行完毕后能够正确返回到调用点。
- 参数：函数的参数也会被压入堆栈，供被调用函数使用。
- 局部变量：函数内部声明的局部变量会被分配在堆栈帧中。
- 旧的基址指针（Base Pointer, BP）：某些架构（如 x86）使用基址指针（BP）来引用堆栈帧中的数据。在进入函数时，旧的 BP 会被保存，新的 BP 会被设置为当前堆栈帧的起始位置。

5. 基址指针（Base Pointer, BP）

基址指针（BP） 是另一个重要的寄存器，通常用于引用当前堆栈帧中的数据。与堆栈指针（SP）不同，BP 通常指向堆栈帧的固定位置，使得函数可以方便地访问参数和局部变量。

作用：
- 引用堆栈帧中的数据：BP 通常指向堆栈帧的起始位置，使得函数可以使用相对偏移量来访问参数和局部变量。这使得代码更加清晰和易于维护。
- 保存旧的基址指针：在进入函数时，旧的 BP 会被保存到堆栈中，新的 BP 会被设置为当前堆栈帧的起始位置。函数返回时，BP 会恢复到调用前的状态。
示例（x86 架构）：
```
push ebp        # 保存旧的基址指针
mov ebp, esp    # 设置新的基址指针
sub esp, 16     # 为局部变量分配空间
```
在这段代码中，ebp 被用来引用当前堆栈帧中的数据，而 esp 则继续作为堆栈指针使用。

6. 堆栈溢出（Stack Overflow）

堆栈溢出 是指堆栈的空间被耗尽，导致无法再分配新的堆栈帧或压入更多数据。堆栈溢出通常是由于递归调用过深、局部变量过多或缓冲区溢出引起的。

后果：
- 程序崩溃：如果堆栈溢出，程序可能会崩溃，甚至导致系统不稳定。
- 安全漏洞：堆栈溢出可能导致缓冲区溢出攻击，黑客可以通过这种漏洞注入恶意代码并执行。
预防措施：
- 限制递归深度：避免过深的递归调用，或者使用迭代代替递归。
- 检查堆栈大小：在编写代码时，确保堆栈的大小足够大，以容纳所有必要的数据。
- 使用栈保护机制：现代操作系统和编译器提供了栈保护机制（如栈金丝雀），可以在检测到堆栈溢出时立即终止程序，防止进一步的损害。

7. 堆栈与堆的区别

虽然堆栈和堆都是用于动态内存管理的，但它们的工作方式和用途不同：

堆栈（Stack）：
- 自动管理：堆栈由编译器和操作系统自动管理，程序员不需要手动分配或释放内存。
- 快速访问：堆栈的操作非常简单，访问速度较快。
- 有限大小：堆栈的大小是固定的，通常较小，适合存储局部变量、函数调用信息等短期使用的数据。
- 后进先出（LIFO）：堆栈遵循 LIFO 规则，最后入栈的数据最先被弹出。
堆（Heap）：
- 手动管理：堆由程序员手动分配和释放内存，通常使用 malloc、free 等函数。
- 灵活分配：堆的大小可以根据需要动态扩展，适合存储全局变量、动态分配的对象等长期使用的数据。
- 无序访问：堆没有固定的顺序，数据可以随意分配和释放。
- 较慢访问：由于堆的管理较为复杂，访问速度相对较慢。

8. RISC-V 中的堆栈指针

在 RISC-V 架构中，堆栈指针通常使用 x2 寄存器（也称为 sp），专门用于管理堆栈。RISC-V 的堆栈默认是从高地址向低地址生长（即向下生长），这意味着每次压栈时，sp 会减小；每次弹栈时，sp 会增加。

典型指令：
- 压栈：addi sp, sp, -16（将 sp 减少 16 字节，为局部变量分配空间）
- 弹栈：addi sp, sp, 16（将 sp 增加 16 字节，释放局部变量占用的空间）
- 保存返回地址：sw ra, 0(sp)（将返回地址保存到堆栈顶部）
- 恢复返回地址：lw ra, 0(sp)（从堆栈顶部恢复返回地址）