C函数栈层次分析

该文摘抄自segmentfault中的RdouTyping。

在计算机系统中,内存空间中的栈主要用于保存函数的参数,返回值,返回地址,本地变量等。一切的函数调用都要将不同的数据,地址压入或者弹出栈。因此为了更好的理解函数调用,我们需要先来看看栈事怎么工作的。

栈是什么?

简单来说,栈是一种LIFO形式的数据结构,所有的数据都是后进先出。这种形式的数据结构正好满足我们调用函数的方式:父函数调用子函数,父函数在前,子函数在后;返回时,子函数先返回,父函数后返回。

栈支持两种基本操作,push和pop。push将数据压入栈中,pop将栈中的数据弹出并存储到指定寄存器或者内存中。

这里是一个push操作的例子。假设我们有一个栈,其中黄色部分是已经写入数据的区域,绿色部分是还未写入数据的区域。

现在我们将0x50压入栈中:

push $0x50    //将0x50的压入栈

push

我们再来看看pop操作的例子:

pop    //将0x50弹出栈

pop

需要注意两点:

1.栈的生长方向是从高地址到低地址的,栈是向下生长的。

2.pop操作后,栈中的数据并没有被清空,只是该数据我们无法直接访问。

栈层次是什么?


栈层次,也就是stack frame,本质就是一种栈。只是这种栈专门用来保存函数调用过程中的各种信息(参数,返回地址,本地变量等)。栈层次有栈顶和栈底之分,其中栈顶的地址最低,栈底的地址最高,sp(栈指针)就是一直指向栈顶的。在x86-32bit中,我们用%ebp指向栈底,也就是基址指针;用%esp指向栈顶,也就是栈指针。

下面是一个栈层次示意图:


栈层次

一般来说,我们将%ebp到%esp之间的区域当作栈层次(也有人认为该从函数参数开始,不过这不影响分析)。并不是整个栈空间只有一个栈层次,每调用一个函数,就会生成一个新的栈层次。在函数调用过程中,我们将调用函数称为“调用者caller”,将被调用的函数称为“被调用者callee”。

在这个过程中:

1.调用者需要知道在哪里获取被调用者返回的值;

2.被调用者需要知道传入的参数在哪里,返回的地址在哪里

3.被调用者返回后,%ebp,%esp等寄存器的值应该和调用前一致。

因此,我们需要栈来保存这些参数。

函数调用

我们直接通过实例来看函数是如何调用的。这是一个有参数但没有调用任何函数的简单函数,我们假设它被其他函数调用。

c源码

对于这个函数,当调用时,MyFunction()的汇编代码大致如下:


汇编

然后,我们来看看此时的栈是什么样的:


调用栈层次

此时,调用者做了2件事:

1.将被调用函数的参数按照从右到左的顺序压入栈中。

2.将返回地址压入栈中。

这2件事都是调用者负责的,因此压入的栈属于调用者的栈层次。

被调用者也做了2件事:

1.将老的(调用者的)%ebp压入栈,此时%esp指向它。

2.将%esp的值赋给%ebp,%ebp就有了新的值,它也指向存放老%ebp的栈空间。这时,它成为了函数MyFunction()栈层次的栈底。

这样,我们就保存了调用者函数的%ebp,并且建立了一个新的栈层次。

在%ebp更新后,我们先分配一块0x12字节的空间用于存放本地变量,这步一般都是用sub或者mov指令实现。在这里使用的是movl。通过使用mov配合-4(%ebp),-8(%ebp)和-12(%ebp)我们便可以给a,b和c赋值了。

函数返回

上面讲的都是函数的调用过程,我们现在来看看函数是如何返回的。从下面这个例子我们可以看出,和调用函数时正好相反。当函数完成自己的任务后,它会将%esp移到%ebp处,然后再弹出旧的%ebp的值到%ebp。这样,%ebp就恢复到了函数调用前的状态了。

c源码
汇编

我们注意到最后有一个ret指令,这个指令相当于pop+jump。它首先将数据(返回地址)弹出栈并保存到%eip中,然后处理器根据这个地址无条件跳到相应位置获取新的指令。

总结

C函数的调用过程,以及栈层次的分析大概就是这样。重点在于:

1.参数和返回地址的压栈在于调用者

2.被调用函数中的变量等的压栈在于被调用者

3.如何保存以及还原%ebp和%esp。

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