如何判断栈生长的方向

栈生长的方向

栈生长方向的定义

若入栈之后（PSUH后），栈指针寄存器（SP）值变大了，那么栈就是向上生长的。
若入栈之后（PUSH后），栈指针寄存器（SP）值变小了，那么栈就是向下生长的。

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栈生长方向影响的内容

1. 栈方向影响溢出保护机制的设计，如栈保护页（Guard Page）的放置位置需与生长方向匹配‌

2. 在FreeRTOS中栈生长的方向也影响任务栈分配与内存管理

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通过调试查看SP指针验证

通过调试在stm32f103zet6中查看SP指针验证栈生长方向。

思路：在调试模式下，单步通过进入子函数时观察栈指针的变化，来判断栈生长的方向。

测试代码如下：

void func2(void)
{
	char buf[100] = {0};
	buf[0] = 'A';
}

void func1(void)
{
	char buf[100] = {0};
	buf[0] = 'A';
	func2();
}

int main(void)
{
	func1();
	return 0;
}

进入main()函数时的SP值是0x200009B8

进入func1()函数后，可以发现SP值变成了0x20000950

所以，在入栈后，stm32f103zet6的SP指针值是减少的，因此stm32f103zet6的栈生长的方向是向下的。

通过变量地址验证

思路：

因为每次调用子函数时，编译器会生成代码来 ‌动态调整栈指针（SP）‌，为该函数分配新的栈帧，用于存储：函数的局部变量‌、函数调用时的 参数‌等内容。

所以通过判断进入子函数时，可以根据函数与其子函数中变量的地址大小来判断栈生长方向。

函数变量的地址值 大于 子函数中变量的地址值，则栈向下生长。
函数变量的地址值 小于 子函数中变量的地址值，则栈向下生长。

#include <stdio.h>  

static int stack_dir = 0; 

static void find_stack_direction (void)
{
	static char* addr = NULL; /* address of first `dummy', once known */
	char dummy; /* to get stack address */
	if (addr == NULL)  
	{                             
		addr = &dummy; /* initial entry */
		find_stack_direction (); /* recurse once */  
	}
	else
	{
		if(&dummy > addr)
		{
			stack_dir = 1;
		}
		else
		{
			stack_dir = -1;
		}
	}
}

int main(void)
{
	find_stack_direction();
	if(stack_dir == 1)
	{
		puts("Stack grew upward\n");
	}
	else
	{
		puts("Stack grew downward\n");
	}
	return 0;
}

stm32f103zet6芯片上运行改代码的结果如下

思考：谁分配的栈空间？

是编译器在帮助我们分配栈空间。

编译器在编译阶段会为每个函数生成指令，‌调整栈指针（SP）‌ 以分配或释放栈空间。例如：

• x86架构‌：通过 sub esp, N 分配栈空间，add esp, N 释放；
• ARM架构‌：通过 sub sp, sp, #N 分配，add sp, sp, #N 释放。

这里的sub指令即是做减法的指令，add指令是做加法的指令。

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计算栈空间的过程是静态的过程

*在编译阶段时，编译器 分析函数的 ‌局部变量、参数传递方式、寄存器保存需求‌ 等，计算出该函数需要占用的总栈空间，并将其写入生成的代码中

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每次调用函数时，编译器生成的代码会 ‌动态调整栈指针（SP）‌，为该函数分配新的栈帧，用于存储：

• 函数的 ‌局部变量‌
• 函数调用时的 ‌参数‌（若通过栈传递）
• 返回地址‌（调用结束后恢复执行的位置）
• 可能被修改的 ‌寄存器值‌（需保存的上下文）

栈分配的本质是 ‌移动栈指针（SP）‌，而非显式的内存申请（如堆的 malloc）。

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示例分析

在main()函数调用func1()函数时，通过BL.w 0x8000A78指令，跳转到存储func1()函数的代码行中。

在存储func1()函数的代码中，
我们可以查看第一条指令就是入栈指令PSUH {lr}，暂不分析该命令；
第二条指令是分配堆栈的指令SUB sp,sp,#0x64，该命令主要是为char buf[100]该变量分配栈空间。0x64=100，刚好是100个字节。

在func1()函数执行完毕后，通过ADD sp, sp, #0x64来修改SP指针，从而释放了栈空间。

小结

在该文章中，我们主要了解了如何通过SP指针的变化来判断栈生长的方向，而且我们也分析了arm系列的芯片是怎么去修改栈指针的。

留下个小疑问：栈生长的方向的是由 编译器生成的修改栈指针寄存器的指令 决定的吗？