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操作系统小记（三）：函数序言、调试器断点与堆栈回溯

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调试 OS 实验代码时，堆栈回溯（stack unwind）是一个非常有用的工具。比如，如果能在 Trap 处理时追踪被打断的函数调用栈，就能更容易地定位问题。然而，因为 OS 实验代码混有汇编，想实现堆栈回溯需要一些额外的工作。

本节涉及的知识在《编译原理》课程中也会用到。

栈帧（Stack Frame）

在程序运行时，每一次函数调用都会在内存的栈（stack）上分配一块区域，用来保存该函数执行所需的上下文信息，这块区域就叫做一个栈帧（stack frame）。

一个典型的栈帧通常包含以下几类内容：

  1. 返回地址（Return Address）：函数执行完毕后要跳回的位置。
  2. 前一个帧指针（Old Frame Pointer）：保存调用者函数的帧指针，用于恢复上层栈的状态。
  3. 局部变量（Local Variables）：当前函数内定义的变量。
  4. 被保存的寄存器（Saved Registers）：如果当前函数使用了一些需要保护的寄存器（如 s0、rbx 等），也会把它们的旧值保存到栈中。

RISC-V 调用约定就具体描述了栈帧的结构。其中，栈帧指针（frame pointer）作为可选的结构：

The presence of a frame pointer is optional. If a frame pointer exists, it must reside in x8(s0); the register remains callee-saved.

当一个函数被调用时，CPU 会：

  • 把返回地址压入栈；
  • 可能保存旧的帧指针；
  • 移动栈指针（sp）分配出局部变量空间；
  • 更新帧指针（fp 或 s0）。

当函数返回时，栈帧被销毁，寄存器和栈指针恢复到调用前的状态。

堆栈回溯（Stack Unwinding）

堆栈回溯（或称“栈回溯”、“stack trace”）是调试器、异常处理器等工具的一种机制，用来从当前函数逐级向上恢复调用路径。例如，在程序崩溃时，调试器通过读取每一层函数的栈帧，就能显示出调用链：

#0  crash() at main.c:42
#1  do_work() at worker.c:18
#2  main() at main.c:10

为了实现这种能力，调试器需要知道：

  • 当前函数的栈帧在内存中的位置；
  • 每个寄存器（尤其是返回地址寄存器）的保存位置；
  • 如何从当前帧恢复到上一个帧。

这些信息可以通过两种方式获得：

  1. 传统帧指针法（frame-pointer unwinding）：依靠固定寄存器（如 rbp、s0）形成链式结构，每一帧都保存上一个帧指针。
  2. CFI（Call Frame Information）法：汇编器通过 .cfi_* 指令在目标文件中记录栈帧结构信息，调试器或异常处理器读取 .eh_frame 或 .debug_frame 段中的 CFI 数据来重建调用栈。

CFI 汇编指令

函数序言