Linux從頭學：所有編程語言中的棧操作，底層原理都在這里
在任何一門編譯型語言中，棧操作都是非常重要的。
利用棧的后進先出特性，可以很方便的解決一些棘手的問題，以至于 CPU 單獨分配了 push 和 pop 這兩個命令來專門操作棧，當然了，還有其他一些輔助的棧操作指令。
對于一些解釋型的腳本語言，比如：Javascript、Lua 等，它們與宿主語言之間的參數傳遞也都是通過棧來操作的。
因此，理解了棧操作的基本原理，對于學習、理解高級語言是非常有幫助的。
這篇文章，我們繼續從最底層的指令碼入手，通過一個子程序調用(即：函數調用)，來學習棧空間是如何操作的，也就是下面這張圖：
示例雖然是匯編代碼，但是指令碼一共不超過10個，而且每一句都有注釋，相信你閱讀一定沒有問題!
再次重申：我們不是在學習匯編語言，只是利用匯編代碼，去繁存簡，用最簡單的實例來理解棧的操作。
示例代碼說明
代碼的功能是：
- 主程序：設置數據段、棧段、棧頂這 3 個寄存器，然后調用子程序(函數調用);
- 子程序：從寄存器 si 中獲取字符串開始地址，然后計算字符串的長度，最后通過寄存器 ax 返回給主程序;
主程序在調用子程序的時候，就涉及到返回地址的入棧、出棧操作。
子程序在計算字符串長度的時候，為了保護一些使用到的寄存器不被破壞，也涉及到入棧和出棧操作。
我們的主要目標就是來研究以上這2部分操作時，棧空間里的數據變化情況。
具體的代碼說明如下：
執行主程序
以下演示的截圖，是通過debug.exe這個工具來調試的。
在調試的過程中，主要關心的就是棧空間中的數據，以及幾個寄存器的值：
- 代碼相關：cs, ip
- 棧相關：ss, sp
初始狀態
在執行第一條指令之前，首先看一下所有寄存器中的值：
此時，我們還沒有為數據段寄存器 ds、棧段寄存器ss賦值，因此里面的值是沒有意義的。
只有 cs:ip 寄存器的值是有意義的，此時它們為 076F:0000，指向第一條代碼處。
再來看一下指令碼：
兩個綠框內的指令，就是用來設置數據段寄存器 ds、棧段寄存器 ss 和 棧頂寄存器 sp。
這部分內容在上一篇文章中都已經詳細描述過了，這里就不重復了。
執行代碼前 5 句
- mov ax, data
- mov ds, ax
- mov ax, stack
- mov ss, ax
- mov sp, 20h
這 5 行代碼的功能就是：設置 ds、 ss 和 sp。
執行完這 5 行代碼后，寄存器中的值為：
從以上這張圖中可以看到編譯器為程序安排了下面這幾個地址：
- 把【數據段】安排在 076C:0000 位置;
- 把【棧段】 安排在 076D:0000 位置;
- 把【代碼段】安排在 076F:0000 的位置;
雖然數據段值定義了 6 個字節的數據( 5 個字符 + 1 個結束符)，但是它與棧段的開始地址之間，預留了 16 個字節的空間。
我們把此時內存空間的整體布局畫一下：
準備調用子程序
我們都知道，在調用函數的之后，需要把調用指令后面的那條指令的地址，壓入到棧中。
只有這樣，被調用函數在執行結束之后，才能繼續返回到正確的指令處繼續執行。
CPU 在執行 call 指令的時候，會自動把 call 指令的后面一條指令的地址，壓入到棧中。
在執行 call 指令之前，我們先來看一下 2 張圖片。
(1)call 的指令碼和匯編代碼
call 的匯編代碼是：call 0018。
0018 指的是指令寄存器 ip 的值，加上代碼段寄存器 cs，就是：076F:0018，這個位置處存儲的就是子程序的第一條指令：push bx。
注意：call 的指令碼是 E80500，E8 是 call 指令的操作碼，0005 是指令參數(注意：低字節是放在低地址，即：小端模式)。
之前文章說過，CPU 在執行一條指令后，會自動把指令寄存器 ip 修改為下一條指令的地址。
當 call 這條指令執行時，ip 就自動變成下一條指令的地址，再加上 call 指令中的 0005，也就是說讓 ip 再加上這個值，就是子程序的第一條指令的地址。
這也是相對地址的概念!在以后介紹到重定位的時候，再繼續聊這個話題。
(2) 棧空間的數據
此時，棧頂寄存器 sp 的值為 0020，即：棧的最高地址的下一個位置(為什么是這個位置?上一篇文章有說明)。
這 32 個字節的內容是沒有任何意義的。
因為棧里數據是否有意義，是依賴于 sp 寄存器的，可以把它理解成一個指針，有些書籍中稱呼它為：棧頂指針。
調用子程序
子程序的功能是計算字符串的長度，那么主程序一定要告訴子程序：字符串的開始地址在哪里。
在代碼的開頭，我們放置了 6 個字節的數據段空間，內容是 5 個字符，加上一個 0。
主程序把第一個字符的地址 0，通過寄存器 si 來告訴子程序：mov si, 0。
子程序在執行時，就從 si 的值所代表的地址處，依次取出每一個字符。
現在我們開始執行 call 指令。
從上面的描述中可以知道：call 的下一條指令的地址(076F:0013)，將會被壓入到棧中。
由于這里 call 指令是段內跳轉，不會把 cs 的值入棧，僅僅是把 ip 的值入棧。(如果是段間跳轉的話，就會把 cs:ip 都壓棧)
我們來看一下執行 call 指令之后的兩張圖：
(1) 寄存器的值
從圖中看出 sp 的值變成了 001E。還記得之前文章說的入棧操作嗎?
- Step1：sp = sp -2。由于 sp 的初值是 0020，減去 2 之后就是 001E(都是十六進制);
- Step2：把要入棧的值(也就是下一條指令的地址 0013)放在 sp 指向的地址處。
從圖中還可以看到，指令寄存器 ip 的值變成了 0018，也就是子程序的第 1 條指令(push bx)的地址。
(2)棧空間的數據
可以看到：最后 2 個字節是 0013，也即是下面的這樣：
此時，指令寄存器 ip 指向了子程序的第一條指令 076F:0018 處，那就繼續執行吧!
子程序
保護使用到的寄存器
我們知道：CPU 中寄存器都是公用的。
在子程序中，為了計算字符串的長度，代碼中用到了bx, cx 這 2 個寄存器。
但是我們不知道這 2 個寄存器是否在主程序中也被使用了。
如果我們冒然直接使用它們，改變了它們的值，那么在子程序執行結束后，返回到主程序時，主程序如果也用了這 2 個寄存器，那就有麻煩了。
因此，在子程序的開始處，需要把 bx, cx 放在在棧中進行暫存保護。
當子程序返回的時候，再從棧中恢復它們的值，這樣就不會對主程序構成潛在的威脅了。
1. push bx
在入棧之前，bx 的值是 0000，我們給他入棧。
還記得上篇文章中入棧的操作嗎：
- Step1: 把 sp 的值減 2;
- Step2: 把要入棧的值放在 sp 地址處(2個字節);
此時，棧頂寄存器 sp 變成 001C (001E - 2)。
再來看一下棧空間的數據情況：
此刻，棧中有意義的數據就有 2 個：返回地址，bx 的值。
2. push cx
在入棧之前，cx 的值是 005C，我們給他入棧。
執行入棧的 2 步操作之后，棧頂寄存器 sp 變成 001A (001C - 2)。
棧空間的數據情況：
3. 計算字符串的長度
字符串是放在數據段中的。數據段的段地址 ds，在主程序的開頭已經設置好了。
字符串的首地址，主程序在執行 call 指令之前，已經放在寄存器 si 中了。
因此，子程序只要從 si 開始位置，依次取出每一個字符，然后檢查它是否等于 0 (jcxz)。
- 如果不為0，就把長度值加 1 (inc bx)，然后繼續取下一個字符(inc si);
- 如果為0，就停止獲取字符，因為已經遇到了字符串末尾的 0。
在循環獲取每一個字符的時候，可以用 bx 寄存器來記錄長度，所以在子程序的開頭要讓 bx 入棧。
讀取的每個字符，放在 cx 寄存器中，所以在子程序的開頭要讓 cx 入棧。
我們來看一下檢查第一個字符 'a' 的情況：
此時：
bx 的值為 0001，說明長度至少為 1。
si 的值為 0001，準備取下一個位置 ds:si(即：076C:0001)處的字符 ‘b’。
這個過程一直循環 6 次(loop s)，當 ds:si 指向 076C:0005，也就是取出的字符為 0 時，就直接跳轉到標號為 over (即：076F:0027)的地址處。
此刻，寄存器 bx 中就存放著字符串的長度：0005：
4. 把字符串長度告訴主程序
字符串的長度計算出來了，我們要把這個值告訴主程序，一般都是通過通用寄存器 ax 來傳遞返回結果。
所以，執行指令 mov ax, bx 把 bx 的值賦值給 ax，主程序就可以從寄存器 ax 中得到字符串的長度了。
5. pop cx
子程序在返回之前，需要把棧中保存的 bx、cx 值恢復到寄存器中。
另外，由于棧的后進先出特性，需要把棧頂數據先彈出到 cx 寄存器中。
在執行出棧之前：
- sp = 001A
- cx = 0000
棧中的數據情況如下：
pop cx 指令分為 2 個動作：
- Step1：把 sp 指向的地址單元的中數據( 2 個字節)，放入寄存器 cx 中，于是 cx 中的值變成了：005C;
- Step2：把 sp 的值自增 2，變成 001C (001A + 2)。
此時，棧中的數據情況：
6. pop bx
執行過程是一樣的：
- Step1：把 sp 指向的地址單元的中數據( 2 個字節)，放入寄存器 bx 中，于是 bx 中的值變成了：0000;
- Step2：把 sp 的值自增 2，變成 001E (001C + 2)。
此時，棧中的數據情況：
7. 返回指令 ret
CPU 在執行 ret 指令時，也有 2 個動作：
- Step1：把 sp 指向的地址單元的中數據( 2 個字節)，放入指令寄存器 ip 中，于是 ip 中的值變成了：0013;
- Step2：把 sp 的值自增 2，變成 0020 (001E + 2)。
此時，棧中的數據情況是：
這時，棧頂寄存器 sp 已經指到了代碼段的空間中。這是由于我們在剛開始安排的時候，沒有在棧與代碼之間，空出來一段緩沖空間。
不管怎樣，此時:
- 棧空間中沒有任何有意義的數據了;
- cs:ip 指向了主程序中 call 指令的下一條指令(mov ax,4c00h);
所以，當 CPU 執行下一條指令的時候，又回到了主程序中繼續執行。。。
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