CPU运行程序时“栈”的作用

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概要：讲解 CPU 运行程序时栈（Stack）的三大作用：记录函数调用的返回地址、存储局部变量和参数、以及中断/异常时保存现场（trapframe），并说明栈“后进先出”特性与这些作用的联系。

前面介绍了各类寄存器，其实归根结底，栈（Stack）是 CPU 运行程序时必不可少的一本”临时草稿本”或者说”备忘录”。

寄存器的运行速度非常快，但容量极小（只有寥寥几个通用寄存器）。当程序越来越复杂，寄存器记不下那么多信息时，就必须有一块专门的内存区域来帮忙记事，这就是栈。

具体来说，栈在底层主要承担以下三大职责：

1. 记录”回家的路”（函数调用的基石）

这是栈最核心的功能。假设程序在运行 main 函数，其中调用了 A 函数，而 A 函数里又调用了 B 函数。

当 CPU 从 A 跳到 B 去执行时，它必须记住执行完 B 之后，要回到 A 的哪里继续运行。
如何记录？执行 call B 指令时，CPU 硬件会自动把 A 函数的下一条指令地址（当前的 %eip）压入栈中。
当 B 函数执行完毕，执行 ret（返回）指令时，CPU 会自动从栈顶弹出一个地址写回 %eip，从而准确无误地返回 A 函数。
为什么用栈？ 因为函数调用是嵌套的（A->B->C），返回的顺序正好相反（C->B->A）。栈这种”后进先出（LIFO）”的结构，与函数嵌套的返回规律完全吻合。

编写 C 语言时，函数内部经常会定义一些局部变量，例如 int x = 10;，或者给函数传参 func(a, b)。这些数据存放在哪里？

分配极快：全部存放在栈上。进入函数时，只要把 %esp（栈顶指针）向下移动一段距离（比如减 16 个字节），就腾出一块内存来存放局部变量。
自动回收：当函数执行完准备退出时，只要把 %esp 向上推回原来的位置，刚才那些局部变量占用的空间就会立刻失效（成为无效数据，等待下一个函数覆盖）。这也是 C 语言中局部变量在函数外部无法使用的底层原因——工作台已经被收回了。

这一点在前面介绍内核栈时已经提到。

当系统正在运行普通程序，突然网卡触发了硬件中断，CPU 必须立刻停下手中的工作去处理网卡数据。

为了在处理完成后能完美恢复原来的程序，CPU 必须把当前所有的状态（各个寄存器的值）保存到一个安全的地方。
这个安全的地方就是内核栈。CPU 会在内核栈上依次 push，把寄存器逐个压入（形成 trapframe）。等内核处理完毕，再逐个 pop 出来，系统便恢复原状，继续运行原来的程序。

如果没有栈，程序就只能从头到尾一条线地执行，不能调用函数，不能有局部变量，操作系统也无法处理中断。

因此，栈的本质就是：一块由 %ss 和 %esp 共同看管的、专门用来存放”临时控制信息”和”临时数据”的后进先出内存区。 使用完毕后立即释放，效率极高。