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过程调用、寄存器保存与栈帧

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1. 调用为什么不只是跳转

过程（Procedure）或函数（Function）调用需要在转移控制的同时传递参数、保留返回信息，并维持调用前后约定的状态。课程列出六步：

  1. 把参数放入双方约定的位置（Pass Arguments）。
  2. 将控制转移到被调用过程（Transfer Control）。
  3. 为过程分配必要存储（Allocate Storage）。
  4. 执行过程的计算（Perform Operations）。
  5. 把结果放入调用者可取得的位置（Return Values）。
  6. 返回调用点之后（Return to Caller）。

其中调用者（Caller）发起调用，被调用者（Callee）执行被调用过程。

ISA 定义 jal/jalr 的硬件效果；应用二进制接口（Application Binary Interface, ABI）规定参数、返回值、寄存器保存与栈的协作规则。两者不能混为一谈。

2. 调用与返回指令

在本章的 32 位指令长度模型中：

jal  ra, function    # ra ← 调用指令 PC + 4，PC ← function
jalr zero, 0(ra)     # 返回，目标为 ra，链接结果丢弃

返回的常见伪指令 ret 对应第二条。函数内部也可用 jal 调其他函数，因此仅有一个 ra 无法自动记录任意深度的嵌套返回链。

叶子过程（Leaf Procedure）不再调用其他过程；非叶子过程（Non-leaf Procedure）会调用其他过程。非叶子函数若之后还要返回，通常必须在覆盖 ra 前保存自己的返回地址。递归调用（Recursive Call）也有相同需求。

3. 谁负责保存寄存器

3.1 调用者保存（Caller-saved）

如果调用者在调用结束后还需要某个可能被破坏的值，应先保存它。标准整数调用约定中，ra、a0–a7、t0–t6 不保证跨调用保留。

关键是跨调用仍然活跃（Live Across the Call）的值才需要保存，不是每次机械保存所有 caller-saved 寄存器。ra 的保存也应结合函数调用位置：某个非叶子函数作为外层的 callee，通常在自己的栈帧中保存自己的 ra。

3.2 被调用者保存（Callee-saved）

被调用者若修改 s0–s11，应在进入时保存原值，退出前恢复。sp 也必须恢复至调用前的位置。未修改的 callee-saved 寄存器无须保存。

参数常放 a0–a7；简单返回值常放 a0，较宽的返回值可涉及 a1。这些规则依据标准 RISC-V psABI。

3.3 为什么采用混合约定

方案 好处 代价
全部 caller-saving 调用者知道哪些值在返回后仍需要 多个调用点可能重复保存
全部 callee-saving 调用者可假设原值会恢复 被调用者可能保存调用者已不再需要的值
混合约定 给编译器同时提供短期临时与长期保留的寄存器 双方必须共同遵守分类

课堂用纯 caller-saving / callee-saving 对比设计选择。真实 ABI 不要求“保存全部 32 个寄存器”；应根据寄存器类别与实际使用情况处理。

4. 栈与栈帧

栈（Stack）提供后进先出（Last In, First Out, LIFO）的调用存储。RISC-V 常用 ABI 中，栈向低地址增长，sp 指向当前栈顶。

栈帧（Stack Frame）又称过程帧（Procedure Frame）、活动记录（Activation Record），保存一次调用的局部存储和状态。可以包含：

  • 被保存的返回地址与 callee-saved 寄存器；
  • 栈上局部变量、数组与寄存器溢出值；
  • 无法全放进参数寄存器的参数；
  • 对齐填充（Padding）。

自绘的向低地址增长的栈及嵌套函数的栈帧

自绘：示意性的 RV64 栈帧。具体布局由编译器和 ABI 决定，不能把图中的顺序当作固定格式。

帧指针（Frame Pointer, fp）是可选的；使用时通常为 s0/x8。sp 可能随分配改变，fp 可作为较稳定的定位基准。标准整数 ABI 通常要求过程执行期间 sp 保持 16 字节对齐。约定来源：RISC-V psABI。

addi sp,sp,-16 是分配 16 字节帧；addi sp,sp,16 是释放。CPU 不会因修改 sp 自动保存所有寄存器，需要显式 store/load。

5. 叶子函数例题

目标为计算 (g+h)-(i+j)。若四个参数分别在 a0–a3，临时值仅使用 caller-saved 寄存器，一个标准约定下的局部示例是：

leaf_example:
    add  t0, a0, a1
    add  t1, a2, a3
    sub  a0, t0, t1
    jalr zero, 0(ra)

没有调用其他函数，不需覆盖 ra；没有修改 s 寄存器，也没有栈上局部数据，因此此实现无需栈帧。“叶子函数”不等于“一定不用栈”：若有局部数组、溢出值或使用了 s 寄存器，仍可能需要栈。

如果有意使用 s0 保存 f，就应保存与恢复原来的 s0。以 RV64 为例：

leaf_with_saved_register:
    addi sp, sp, -16
    sd   s0, 8(sp)
    add  t0, a0, a1
    add  t1, a2, a3
    sub  s0, t0, t1
    add  a0, s0, zero
    ld   s0, 8(sp)
    addi sp, sp, 16
    jalr zero, 0(ra)

若换 RV32，应按 32 位寄存器用 sw/lw 保存，仍需满足相应 ABI 的栈对齐。不能在 RV64 用 sw/lw 保存一个需要完整保留的 64 位寄存器。

6. 非叶子函数：保留返回地址和跨调用值

设函数收到整数 n，调用 helper(n)，之后返回 helper(n)+n，n 在调用后仍需使用：

non_leaf:
    addi sp, sp, -16
    sd   ra, 8(sp)          # 保留返回外层调用者的位置
    sd   s0, 0(sp)          # 保留原 s0
    add  s0, a0, zero       # n 跨 helper 调用存活
    jal  ra, helper
    add  a0, a0, s0         # helper 返回值在 a0
    ld   s0, 0(sp)
    ld   ra, 8(sp)
    addi sp, sp, 16
    jalr zero, 0(ra)

这是自拟的 RV64 理论示例。helper 按 ABI 保留 s0，所以 n 可跨调用保留；本函数又恢复原 s0，因此对外层调用者仍满足约定。每次嵌套各有独立栈帧，ra 的旧值才能按反向顺序恢复。

7. 返回后的局部变量指针

int *bad(void) {
    int local = 42;
    return &local;
}

函数返回后 local 的生命周期结束；返回的指针成为悬垂指针（Dangling Pointer）。栈上的字节可能暂时仍像原值，但随后的调用可以复用该空间，解引用无效对象不合法。

问题的根因是对象生命周期（Object Lifetime），不能简单归因于“C 没有垃圾回收”。把该指针交还给调用者，也不会延长局部自动对象的生命周期。

8. 原课件例子的约定边界

lec01 第 111–112 页为教学目的指定“f 放 x7，结果放 x17”，并演示保存 x7。理解时应分两层：

  • 按题目明确给出的约定，可以分析其保存、计算、恢复、返回过程。
  • 按标准 psABI，x7 是 t2，属于 caller-saved；常见整数返回值是 a0/x10，不是 a7/x17。课件分配不能当作标准调用约定记忆。

课件中 sw x7,x2,0 一类写法应改用标准 sw x7,0(x2)。只分配 4 字节也是教学简化，不符合通常的 16 字节栈对齐要求。

英文简答：“A non-leaf procedure must preserve its return address before another call overwrites the link register.”

参考资料