C函数调用过程原理及函数栈帧分析(转)
在x86的计算机系统中,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,为了更好地理解函数的调用,我们需要先来看看栈是怎么工作的。
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:
// 将0x50的压入栈
push $0x50
我们再来看看pop操作的例子:
// 将0x50弹出栈
pop
这里有两点需要注意的,第一,上面例子中栈的生长方向是从高地址到低地址的,这是因为在下文讲的栈帧中,栈就是向下生长的,因此这里也用这种形式的栈;第二,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。有了这些栈的基本知识,我们现在可以来看看在x86-32bit系统下,C语言函数是如何调用的了。
栈帧是什么?
栈帧,也就是stack frame,其本质就是一种栈,只是这种栈专门用于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)。栈帧有栈顶和栈底之分,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。下面是一个栈帧的示意图:
一般来说,我们将 %ebp
到 %esp
之间区域当做栈帧(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帧,每调用一个函数,就会生成一个新的栈帧。在函数调用过程中,我们将调用函数的函数称为“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,3)返回的地址在哪里。同时,我们需要保证在“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,我们需要使用栈来保存这些数据。
函数调用实例
函数的调用
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。
int MyFunction(int x, int y, int z)
{
int a, b, c;
a = 10;
b = 5;
c = 2;
...
}
int TestFunction()
{
int x = 1, y = 2, z = 3;
MyFunction1(1, 2, 3);
...
}
对于这个函数,当调用时,MyFunction()
的汇编代码大致如下:
_MyFunction:
push %ebp ; //保存%ebp的值
movl %esp, $ebp ; //将%esp的值赋给%ebp,使新的%ebp指向栈顶
movl -12(%esp), %esp ; //分配额外空间给本地变量
movl $10, -4(%ebp) ;
movl $5, -8(%ebp) ;
movl $2, -12(%ebp) ;
光看代码可能还是不太明白,我们先来看看此时的栈是什么样的:
此时调用者做了两件事情:第一,将被调用函数的参数按照从右到左的顺序压入栈中。第二,将返回地址压入栈中。这两件事都是调用者负责的,因此压入的栈应该属于调用者的栈帧。我们再来看看被调用者,它也做了两件事情:第一,将老的(调用者的) %ebp
压入栈,此时 %esp
指向它。第二,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,它成了是函数 MyFunction()
栈帧的栈底。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帧。
只要这步弄明白了,下面的操作就好理解了。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。
函数的返回
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。
int MyFunction( int x, int y, int z )
{
int a, int b, int c;
...
return;
}
其汇编大致如下:
_MyFunction:
push %ebp
movl %esp, %ebp
movl -12(%esp), %esp
...
mov %ebp, %esp
pop %ebp
ret
我们注意到最后有一个 ret
指令,这个指令相当于 pop + jum
。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地跳到相应位置获取新的指令。
总结
到这里,C函数的调用过程就基本讲完了。函数的调用其实不难,只要搞懂了如何保存以及还原 %ebp
和 %esp
,就能明白函数是如何通过栈帧进行调用和返回的了。希望这篇文章对你有帮助!
引用
在我学习栈帧以及写这篇文章的过程中,参考了下面这些文章,在这我感谢他们对我提供的大力的帮助。如果你对这些文章感兴趣,请访问以下链接:
1. x86 Instruction Set Reference
2. x86 Disassembly/Functions and Stack Frames
3. x86 Assembly Guide
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