assembly - assembly `push` 、 `pop` 、 `call` 和 `ret` 操作的幕后到底发生了什么？

Question

我试图详细了解如何实现一个健壮的堆栈/注册机(我猜是一种混合机): How to simulate a call stack in JavaScript using only a single array 。那里的答案表明:

const memory = [
  8, // initial program counter
  0,
  0,
  0,
  0,
  0,
  0,
  0,
  "push",
  1,
  "push",
  2,
  "add",
  "push",
  3,
  "add",
  "print",
  "exit",
  0,
  0,
]

在其他资源中，我看到它们都 只有 像调用 push 、 pop 、 call 或 ret 一样低级。他们没有展示这些是如何实现的。这是另一个 example :



但是，如果我要为整个计算机编写一个模拟器，包括 push 、 pop 、 call 和 ret 指令，那么这些指令到底是什么样的？他们如何知道内存中的哪个位置可以自由存储下一个 push ？当您调用 pop 时，内存究竟发生了什么？堆栈上的内容如何实际传递给使用 call 调用的函数？等等。基本上，这些东西是如何在引擎盖下工作的。我知道它们是 implemented in the hardware ，但是如果您要在代码中实现它们(仅使用 memory 数组，如上述问题)，它们会是什么样子？

Answer 1

堆栈指针是一个 CPU 寄存器(此处为 %esp )，必须对其进行初始化以引用用作堆栈的内存区域。这个区域需要是可变的，并且足够大以便程序调用传递参数。

这个堆栈指针寄存器然后是 push/pop 操作的引用:

推送操作递减堆栈指针并将值写入该地址，并且，

Pop 操作读取堆栈指针所指的值，然后递增堆栈指针。

堆栈指针(以及其他寄存器)在进程调用 main 之前被初始化。这要么由操作系统完成，要么由调用 __start 的 crt0.o 中的 main 完成。

一个合适的模拟器必须模拟一些操作系统行为和/或 __start 行为，例如在调用 main 之前，将有效的初始值放入堆栈指针寄存器。

How do they know which place in memory is free to store the next push?

堆栈指针是引用:它的值表示堆栈上第一项的地址。

What happens exactly to the memory when you call pop?

内存没有任何变化，只是堆栈指针被更新(寄存器的值发生变化，因此它指向的位置被移动)，以便内存现在被视为可用(例如，用于另一次推送)。堆栈指针以下的内存被认为是空闲堆栈区域，堆栈指针及其上方的内存被视为正在使用的堆栈区域。

How do the things on the stack actually get passed to the function being called with call?

调用函数(调用者)和被调用函数(被调用者)都可以访问 CPU 堆栈寄存器。

被调用者知道栈上有返回地址和参数。返回地址在栈顶——栈指针直接指向它。因此堆栈指针的地址+ 4 然后指向参数#1，+8 指向参数#2，等等。

模拟 CPU 的模拟器将模拟内存和 CPU 寄存器，例如堆栈指针和程序计数器(又名指令指针)。指令指针保存下一条要执行的指令的地址，它是处理器管理控制流的方式。

为了模拟推送指令，模拟器将减少模拟的堆栈指针寄存器，然后在该堆栈指针中保存的地址写入要推送的值，并且还增加程序计数器寄存器以准备执行下一个顺序指令遵循 push
模拟器对 pop 执行相反的操作:它从模拟堆栈指针寄存器引用的位置处的模拟内存读取，然后递增该模拟寄存器。它还将增加程序计数器，为执行 pop 之后的下一条顺序指令做准备。
call 指令具有推送的行为，其中推送的值是模拟程序计数器 - 修改为引用 call 指令之后的指令 - 这是返回地址:当被调用者被调用时恢复调用者的位置完全的。与 push 和 pop 指令不同的是，调用指令还会更改模拟程序计数器寄存器，以便执行的下一条指令是被调用函数的第一条指令。
ret 指令具有 pop 的行为，但会弹出到模拟程序计数器中，因此这会改变控制流，以便下一条要执行的指令返回调用者 - 原始调用之后的一条指令。

希望您能看到 push 和 pop 是如何对偶的，就像 call 和 ret 一样。

最后一件事，如果你想在不指定压入值的情况下分配堆栈内存，我们可以从堆栈指针中减去——并且要释放堆栈内存而不弹出，我们可以添加到堆栈指针中。 addl 后面的这条 call plus 指令就是这样做的——它弹出最初推送的两个参数，回收两次推送(值(value))，而不检索它们的值。