字节序与堆栈增长方向之间的关系

Question

处理器的大小端模式和堆栈增长方向之间是否存在关联？

例如，x86架构是小端模式，堆栈向下增长（即在最高地址开始，并随着每次push操作向低地址增长）。同样，在大端模式的SPARC体系结构中，堆栈从最低地址开始向上增长到更高地址。

几乎所有体系结构都遵循这种关系模式。我相信这种不成文的约定必须有原因。这可以从计算机体系结构或操作系统角度解释吗？这在处理器内部的微代码优化方面有所帮助吗？这对内核是否有所帮助？还是其他原因？

提前致谢！

- user31986

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注意：嵌入式PIC24系列处理器似乎是反例：“（堆栈指针）从低地址向高地址增长”，整数是小端序。 - chux - Reinstate Monica

SPARC上的堆栈向下增长（从高地址到低地址），而不是向上增长。 它是大端的，所以至少这一点是正确的。 - Chris Dodd

Answer 1

堆栈增长方向与整数字节序无关。

在更广泛的整数（字）中，字节顺序和堆栈推送是添加还是减去堆栈指针之间没有任何联系。对于推送而言，存储数据是一个单一的操作。

将寄存器宽度的整数映射到内存中的字节使用与堆栈指针 inc/dec 逻辑不同的硬件; 我假设正常的设计将使用与非 push/pop 存储/加载相同的硬件，并将来自 push 的存储视为“字”的任何其他存储，而不是一次递增堆栈指针的奇怪的一个字节。

这种关系模式在几乎所有体系结构中都可以看到。

呃，其实并不是这样。许多现代 RISC ISA（例如 MIPS、PowerPC、ARM）具有可选择的字节序¹，这与堆栈增长方向无关。

大多数现代系统中堆栈增长的方向是什么？表明，在大多数主流系统上，堆栈增长方向通常是向下的，这可能是按惯例或要求而定，包括在大端系统上。

根据该问答中的回答，Sparc上的主流操作系统/ABI选择向下增长堆栈。在Sparc上向上增长是一种选择，但像其他系统一样，向下增长是正常选择。

这可以从计算机架构或操作系统角度解释吗？

我们可以解释为什么向下是事实上的标准。不知道为什么SPARC费心使向上成为一个选项。在没有分页/虚拟内存的情况下，位于可用内存顶部的堆栈，静态代码/数据位于底部的固定地址显然是自然的。 https://softwareengineering.stackexchange.com/questions/137640/why-does-the-stack-grow-downward

这就是我们到达这里的方式。

在一些ISA上（如MIPS），堆栈增长方向完全由软件确定。硬件不会隐式/异步使用堆栈，并且没有推送/弹出指令使得一种方式更加高效。但通常的选择仍然是向下的。

其他的ISA（例如x86）会像异步中断将东西推到内核堆栈上，从而迫使一个方向。或者至少对一个方向有偏好，通过提供有效的推送/弹出指令（例如ARM Thumb以及x86的push/pop）。更不用说x86的call/ret指令，它们推送/弹出返回地址而不仅仅是写链接寄存器。

如果没有方向选择，在大多数ISA中一个固定的方向是向下的，但是@chux评论说PIC24具有向上的堆栈增长。

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我非常确定这些都有大端和小端的例子，或者至少有可以配置为大端或小端的双端系统。

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注1：一些特定的ARM或MIPS CPU硬连了它们的字节序，无法在运行时选择，因为对于嵌入式系统来说这基本上是一个无用的功能，也是硅片浪费。不确定现代POWER硬件是否也是如此；Godbolt编译器浏览器（https://godbolt.org/）有PowerPC64和PowerPC64le编译器，但这并不能告诉我们它们是否仍然相关。

- Peter Cordes

Answer 2

字节序是数据的字节顺序。

考虑十六进制值0x0A0B0C0D，可分为4个字节：0x0A，0x0B，0x0C，0x0D。

就内存而言：

假设我们有一个内存地址o

对于大端（Big Endian）字节序，第一个字节始终在最前面：

memory[o] = 0x0A

memory[o+1] = 0x0B

memory[o+2] = 0x0C

memory[o+3] = 0x0D

对于小端（Little Endian）字节序，第一个字节放在最远处的偏移量上：

memory[o] = 0x0D

memory[o+1] = 0x0C

memory[o+2] = 0x0B

memory[o+3] = 0x0A

使用栈时，采用相反的字节序，以便在从栈中弹出数据时，重新采用正确的字节序。以下是另一个示例，但使用栈。

小端栈

unsigned data = 0x0A0B0C0D;

&data = 0x0D

&data+1 = 0x0C

&data+2 = 0x0B

&data+3 = 0x0A

当我们push data时，数据的小端字节序被存储为大端字节序，因为栈是LIFO/FILO，因此弹出保留了字节序，因此：

[ebp] == 0x0A

[ebp-1] == 0x0B

[ebp-2] == 0x0C

[ebp-3] == 0x0D

简而言之：栈是系统的相反字节序。

- Nergal

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这完全是胡说八道。栈增长方向与整数字节序正交，而你的x86示例（[ebp-0..3]）是不对齐的，在地址[ebp-3]处存储了32位。如果我们假设传统的堆栈帧，那么这将重叠一个字节到保存的EBP值中。实际上，如果在堆栈帧设置的一部分之后立即执行push，则数据将保留在[ebp-4]=[esp]处。 - Peter Cordes

@PeterCordes 这并不是无意义的，沿着相反的字节序方向生长堆栈更有意义。如果您拥有一个大端机器，并使堆栈向下生长像x86一样，如果您解除引用堆栈的那部分以获取一个字节会发生什么？其次，x86示例只是一个视觉示例，你在无谓地抨击它。 - Nergal

发生的情况是你得到了你要求的字节。例如，如果你从 [esp] 加载一个字节，你就会得到你刚刚压入的整数的最高有效位（MSB）。我完全看不出你的观点。 - Peter Cordes