大多数现代系统中堆栈增长的方向是什么？

Question

我正在准备一些 C 语言培训材料，我希望我的示例适合典型的堆栈模型。

Linux、Windows、Mac OSX（PPC 和 x86）、Solaris 和最新的 Unix 中的 C 堆栈朝什么方向发展？

Answer 1

堆栈增长通常并不取决于操作系统本身，而是取决于其运行的处理器。 例如，Solaris 在 x86 和 SPARC 上运行。 Mac OSX（正如您所提到的）在 PPC 和 x86 上运行。 Linux 可以在一切设备上运行，从工作中的 System z 到 微不足道的小手表。

如果 CPU 提供任何类型的选择，那么如果您希望自己的代码调用其他人的代码，则操作系统使用的 ABI/调用约定会指定您需要做出的选择。

处理器及其方向是：

• x86：向下。
• SPARC：可选。 标准 ABI 使用羽绒。
• PPC：我认为是下降了。
• System z：在一个链表中，我没有骗你（但仍然失败，至少对于 zLinux 来说）。
• ARM：可选，但 Thumb2 仅具有向下的紧凑编码（LDMIA = 之后递增，STMDB = 之前递减）。
• 6502：向下（但只有256字节）。
• RCA 1802A：任何你想要的方式，服从 SCRT 实施。
• PDP11：下。
• 8051：上。

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1802 是用于控制早期航天飞机的芯片（我怀疑，根据它的处理能力来感应门是否打开，这表明了我的年龄。:-）和我的第二台计算机，COMX-35（遵循我的ZX80)。

PDP11 详细信息从此处收集，8051 详细信息来自此处。

SPARC架构使用滑动窗口寄存器模型。 架构上可见的细节还包括寄存器窗口的循环缓冲区，该缓冲区有效并在内部缓存，在上溢/下溢时带有陷阱。 有关详细信息，请参阅此处。 正如SPARCv8 手册所解释的，SAVE 和 RESTORE 指令就像 ADD 指令加上寄存器窗口旋转。 使用正常数而不是通常的负常数将产生向上增长的堆栈。

上述 SCRT 技术是另一种技术 - 1802 使用一些或十六个 16 位寄存器进行 SCRT（标准调用和返回技术）。 一是程序计数器，您可以使用SEP Rn指令将任何寄存器用作PC。 一个是堆栈指针，两个总是指向 SCRT 代码地址，一个用于调用，一个用于返回。 没有寄存器以特殊方式处理。 请记住，这些细节来自记忆，它们可能不完全正确。

例如，如果 R3 是 PC，R4 是 SCRT 调用地址，R5 是 SCRT 返回地址，R2 是“堆栈”（在软件中实现时引用），SEP R4 将设置 R4成为 PC 并开始运行 SCRT 调用代码。

然后它将 R3 存储在 R2“堆栈”上（我认为 R6 用于临时存储），向上或向下调整它，抓取 R3 之后的两个字节，将它们加载到 R3 中，然后执行 < code>SEP R3 并在新地址运行。

返回时，SEP R5 会将旧地址从 R2 堆栈中拉出，向其中添加两个（以跳过调用的地址字节），然后将其加载到 R3 和 SEP R3 中 开始运行前面的代码。

在完成所有基于 6502/6809/z80 堆栈的代码之后，一开始很难理解，但仍然以一种令人头晕目眩的方式优雅。 该芯片的一大卖点是全套 16 个 16 位寄存器，尽管您立即丢失了其中 7 个（5 个用于 SCRT，两个用于 DMA 和内存中断）。 啊，营销战胜了现实:-)

System z 实际上非常相似，使用 R14 和 R15 寄存器进行调用/返回。

Answer 2

C++ 语言（适用于 C）stack.cc：

static int
find_stack_direction ()
{
    static char *addr = 0;
    auto char dummy;
    if (addr == 0)
    {
        addr = &dummy;
        return find_stack_direction ();
    }
    else
    {
        return ((&dummy > addr) ? 1 : -1);
    }
}

Answer 3

只是对其他答案的一个小补充，据我所知，还没有触及这一点：

让堆栈向下增长使得堆栈中的所有地址相对于堆栈指针都有一个正偏移量。 不需要负偏移量，因为它们只会指向未使用的堆栈空间。 当处理器支持堆栈指针相对寻址时，这可以简化对堆栈位置的访问。

许多处理器的指令允许使用相对于某些寄存器的仅正偏移量进行访问。 其中包括许多现代建筑，以及一些古老的建筑。 例如，ARM Thumb ABI 通过在单个 16 位指令字内编码的正偏移量提供与堆栈指针相关的访问。

如果堆栈向上增长，则相对于堆栈指针的所有有用偏移量都将为负，这不太直观且不太方便。 它也与寄存器相对寻址的其他应用不一致，例如访问结构体的字段。

Answer 4

向下增长的优点是在较旧的系统中，堆栈通常位于内存的顶部。 程序通常从底部开始填充内存，因此这种内存管理最大限度地减少了测量并将堆栈底部放置在合理位置的需要。

Answer 5

堆栈在 x86 上向下增长（由架构定义，弹出堆栈指针递增，入栈递减。）

Answer 6

在 MIPS 和许多现代 RISC 架构（如 PowerPC、RISC-V、SPARC...）没有 push 和 pop 指令。 这些操作是通过手动调整堆栈指针然后相对于调整后的指针加载/存储值来显式完成的。 所有寄存器（除了零寄存器）都是通用的，因此理论上任何寄存器都可以是堆栈指针，并且堆栈可以在程序员想要的任何方向增长

也就是说，在大多数体系结构上，堆栈通常会向下增长，可能是为了避免堆栈和程序数据或堆数据增长并相互冲突的情况。 还有 sh- 的回答提到的重要解决原因。 一些示例：MIPS ABI 向下增长并使用 $29（又名 $sp）作为堆栈指针，RISC-V ABI 也向下增长并使用 x2 作为堆栈指针

在 Intel 中8051 堆栈不断增长，可能是因为内存空间太小（原版为128字节），没有堆，不需要将堆栈放在顶部，这样就可以与底部增长的堆分开

您可以在 https://en.wikipedia.org/wiki 中找到有关各种架构中堆栈使用情况的更多信息/Calling_convention

另请参阅

• 为什么堆栈向下增长？
• 让堆栈向下增长有什么好处？
• 为什么堆栈通常向下增长？
• 堆栈是向上还是向下增长？

Answer 7

在大多数系统上，堆栈会向下增长，我的文章位于 https://gist.github.com/cpq/ 8598782解释了为什么它会向下生长。 很简单：如何在固定的内存块中布局两个不断增长的内存块（堆和堆栈）？ 最好的解决方案是将它们放在相对的两端，让它们朝着彼此生长。

Answer 8

它向下增长，因为分配给程序的内存具有“永久数据”，即底部是程序本身的代码，然后是中间的堆。 您需要另一个固定点来引用堆栈，这样您就可以离开顶部。 这意味着堆栈向下增长，直到它可能与堆上的对象相邻。

Answer 9

这个宏应该在运行时检测到它而不需要 UB：

#define stk_grows_up_eh() stk_grows_up__(&(char){0})
_Bool stk_grows_up__(char *ParentsLocal);

__attribute((__noinline__))
_Bool stk_grows_up__(char *ParentsLocal) { 
    return (uintptr_t)ParentsLocal < (uintptr_t)&ParentsLocal;
}