变量究竟是存在寄存器还是堆栈？

1. 变量是放在寄存器里还是堆栈里？

堆栈对于处理器来说就是一块内存区域，而寄存器是处理器触手可及的存储，对于RISC 处理器而言，堆栈中的数据CPU并不能直接进行运算，还是要先加载到寄存器中才行。对于编译器而言，我猜测还是优先会选择将变量用寄存器保存。那什么时候需要用到堆栈呢？什么东西需要保存到堆栈呢？一种是需要切换上下文的地方，另一种是需要传参的地方。函数调用就是一种典型应用。

2. 函数调用时的栈与寄存器

一个典型的函数调用流程如上图所示，关键的涉及栈和寄存器的步骤如下：

1. 首先，在调用其他函数前，Caller需要保存自身的上下文，比如某个变量的值存在寄存器x1，该寄存器有可能在被调函数Callee中用到，那就需要存到堆栈中；

2. 调用函数时的传参，参数的传递有两个选择，一个是将参数放到寄存器，另一个则是将参数放到堆栈中。

3. Caller调用函数的时候需要将PC+4，即函数的返回地址存到寄存器或堆栈，被调函数执行完调到该返回地址执行；

4. 对于Callee而言，首先要保存上文中的某些寄存器，有的同志可能会问，步骤1中Caller不是已经保存了一波寄存器了，为什么Callee中又来一波？以RISC-V为例，约定了两类寄存器——临时寄存器和保存寄存器，其中临时寄存器可以由Callee随意使用，所以就需要Caller来保存；而保存寄存器需要Callee来保证其值在调用前后不能改变，所以需要Callee存储。

5. Callee在执行完之后，自然需要将“保存寄存器”的值恢复。此外，返回参数也需要存放至寄存器或堆栈中。

从上面的描述中可以看到，保存寄存器只能存到堆栈中，而保存参数和函数返回地址则既可以放在寄存器，也可以放在堆栈。RISC-V对此进行了如下约定：

由于编译器做出了以上函数调用约定，这就意味着汇编指令中本来要带的参数不需要了，比如原来跳转并链接到某个label的指令是jal x1, offset，意思是跳转到 offset 制定位置，返回地址保存在 x1 (ra）中，现在由于做好了约定，可以直接使用伪指令jal offset来替代。

3. 函数调用实例

下面举个例子来说明一下小节2中的过程。
首先给出C语言代码如下，代码入口是_start函数，其中调用了aa_bb函数，aa_bb又调用了square函数。

void _start()
{
    // calling nested routine
    aa_bb(3, 4);
}

int aa_bb(int a, int b)
{
    return square(a) + square(b);
}

int square(int num)
{
    return num * num;
}

让我们根据2中的一些约定来写RISC-V汇编指令：

_start:
	la sp, stack_end	# 首先初始化堆栈指针
	li a0, 3			# 第一个参数放入寄存器a0
	li a0, 4			# 第二个参数放入寄存器a1
	call aa_bb			# Caller中没用到什么临时寄存器，所以不需要保存，直接跳转; call伪指令会将跳转地址放到寄存器ra中 
stop:
	j stop				# 死循环结束代码	

aa_bb:
	addi sp, sp, -16	# 栈指针初始化时指在栈去末尾，要存放4个word的数据，所以减16
	sw s0, 0(sp)		# 考虑到后面会用到保存寄存器，s0~s2，需要Callee进行保存
	sw s1, 4(sp)
	sw s2, 8(sp)
	sw ra, 12(sp)		# ra中目前存放的是_start函数下一条指令的地址，由于在aa_bb函数中还要调用别的函数，会覆盖掉ra寄存器的值，因此也要存下来
	
	mv s0, a0 			# a0寄存器的值挪到s0中
	mv s1, a1			# a1寄存器的值挪到s1中
	
	li s2, 0			# 将最终结果放在s2中，因此先将s2清零
	
	mv a0, s0			# 准备调用square函数啦，传参放入寄存器a0; 作为一个Caller没有需要保存的临时寄存器
	jal square			# 跳转到square函数中执行，返回地址会放在ra寄存器，覆盖了原来的ra
	add s2, s2, a0		# 计算的返回参数在a0中，加到s2上
	
	mv a1, s1			# 与上面计算同理
	jal square
	add s2, s2, a0
	
	mv a0, s2			# 最终的返回参数防止到a0寄存器
	lw s0, 0(sp)		# 从栈区中恢复各个保存寄存器的值
	lw s1, 4(sp)
	lw s2, 8(sp)
	lw ra, 12(sp)		# ra寄存器的值恢复回来
	addi sp, sp, 16	 	# 释放栈空间，栈指针依旧指向进入函数前的位置	
	ret

square:
	addi sp, sp, -8
	sw s0, 0(sp)
	sw s1, 4(sp)
	
	mv s0, a0
	mul s1, s0, s0
	mv a0, s1
	
	lw s0, 0(sp)
	lw s1, 4(sp)
	addi sp, sp, 8
	ret

stack_start:
	.rept 10			# 定义10个word大小的栈空间
	.word 0
	.endr
stack_end:

如果有人读了上面的代码，可能会发出一个疑问——为什么运算的时候非得用s0~s2这种保存寄存器，这不是脱裤子放屁呢吗？因为这个是教学演示代码，为了说明小节2中的函数调用流程。

4. volatile关键字的原理

volatile关键字存在的根本原因正是变量会存在寄存器还是内存中。假如一个变量会在多线程中用到，该变量如果在一个线程运行中被加载到了寄存器中，则显然后续的代码也会继续使用这个寄存器中的变量值，而不会使用内存中的该值。如果别的线程中的代码修改了内存中该变量的值，而本线性依旧使用寄存器中的值就会出错。
volatile就是告诉编译器，每次用到这个变量的时，都去内存中把这个值重新加载一次，而不是沿用之前的寄存器中的值。因为这个值可能被中途改变了。

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