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Linux教程網 >> Linux編程 >> Linux編程 >> 從匯編角度分析C語言的過程調用

從匯編角度分析C語言的過程調用

日期:2017/3/1 9:11:47   编辑:Linux編程

基本術語定義

1.系統棧(system stack)是一個內存區,位於進程地址空間的末端。

2.在將數據壓棧時,棧是自頂向下增長的,該內存區用於函數的局部變量提供內存。它也支持在調用函數時傳遞參數。

3.如果調用了嵌套的過程,棧會自上而下增長,並接受新的活動記錄(activation record)來保存一個過程所需的所有數據。

4.當前執行過程的活動記錄,由標記頂部位置的幀指針(frame point)和標記底部位置的棧指針(stack point)定義。

5.在過程執行時,雖然其頂部的限制是固定的,但底部的限制是可以擴展的(在需要更多內存空間時)。

分析棧幀(分析如下)

上圖第2個棧幀的分析如下:

1、在棧幀頂部是返回地址,以及保存的舊的幀指針。返回地址指定了當前過程結束時代碼的控制流轉向的內存地址,而保存的舊的幀指針則是前一個活動記錄的幀指針。在當前過程結束後,該幀指針的值可用於重建調用過程的棧幀,在試圖調試調用棧回溯時,這一點很重要。

2、活動記錄的主要部分是為過程調用局部變量分配的內存空間。在C中,這種變量也稱為自動變量(automatic variable)。

3、在函數調用時,以參數形式傳遞到函數的值,存儲在棧的底部。

4、所有常見的計算機體系結構都提供了以下兩個棧操作指令:

  • push指令將一個值放置在棧上,並將棧指針esp減去該值所占用的內存字節數。棧的末端下移到更低的地址;

  • pop指令從棧中彈出一個值,並相應增加棧指針esp的值,也就是說,棧的末端上移了。

5、一般體系結構另外提供兩個指令,用於調用和退出函數(自動返回到調用過程),它們也會自動操作棧:

  • call指令將指令指針的當前值壓棧,跳轉到被調用函數的起始地址。 call 指令 :在AT&T匯編中,call foo(foo是一個標號)等效於以下匯編指令: pushl %eip ,movl f, %eip ;

  • return指令從棧上彈出返回地址,並跳轉到該地址。過程的實現必須將rerurn作為最後一條指令,由call放置在棧上的返回地址位於棧的底部(實際上是上一個活動記錄的底部,當前活動記錄的頂部)。 ret指令: 在AT&T匯編中,ret等效於以下匯編指令: popl %eip

過程調用兩個組成步驟

1、在棧中建立參數列表。傳遞到被調用函數的第一個參數最後入棧(從右到左)。這使得C中可以傳遞可變數目的參數,然後將其從棧上逐一彈出(pop)。

2、調用call,這將指令指針的當前值(call之後的下一條指令)壓棧,代碼的控制流轉向被調用的函數。被調用的過程負責管理幀指針ebp,需要執行下列步驟:

  • 前一個幀指針壓棧,因而棧指針下移。

  • 將棧指針的當前值copy給幀指針,標記當前執行函數的棧區的起始位置。

  • 執行當前函數的代碼。

  • 在函數結束時,存儲的舊幀指針位於棧的底部。其值從棧彈出到幀指針寄存器(ebp),使之指向前一個函數的棧區起始位置。現在,對當前函數執行call指令時壓棧的返回地址位於棧低。

  • 調用return,將返回地址從棧彈出。cpu轉移到返回地址,代碼的控制流也返回到調用函數。

具體C 語言例子分析

初看起來,這種方法似乎有些混亂,因此,我們先看一個簡單的C語言例子:

在IA-32系統上,匯編代碼本身必須是AT&T表示法給出。

AT&T匯編語法總結為以下5條規則,就足夠了。

1.寄存器通過在名稱前加百分號(%)前綴引用。example:為使用eax寄存器,匯編代碼中將使用%eax。(如果在C中內聯匯編的話,C代碼必須指定兩個百分號,才能在轉給匯編器的輸出中形成一個百分號)。

2.源寄存器總是在目的寄存器之前指定。 example,在mov語句中,這意味著 mov a,b 將 寄存器a中的值 內容copy到寄存器b中。

3.操作數的長度由匯編語句的後綴指定。b代步byte,w代表word,l代表long。在IA-32上,將一個長整型從eax寄存器移動到ebx寄存器中,需要指定movl %eax,%ebx。

4.間接內存引用(指針反引用)需要將寄存器包含在括號中,example:movl(%eax),%ebx 將寄存器eax的值指向的內存地址中的長整型copy到ebx寄存器中。

5.offset(register)指定寄存器值與一個偏移量聯用,將偏移量加到寄存器的實際值上。example: 8(%eax)指定將eax+8用作一個操作數。該表示法主要用於內存訪問,例如指定與棧指針或幀指針的偏移量,以訪問某些局部變量。

我們來分析一下 main.s 匯編代碼:

1.從main 主函數開始分析. 在IA-32系統中,ebp寄存器用於幀指針(棧頂),pushl %ebp 將該ebp寄存器中的值壓入系統棧上最低位置,這導致棧頂指針向下移動4byte,這是因為IA-32系統上需要4byte來表示一個指針(pushl中的後綴l,在AT&T匯編中表示一個long型)。

2.第3行,movl %esp, %ebp 將esp(棧指針)寄存器 的值 copy到ebp(幀指針)寄存器中;把當前的棧指針作為本函數的幀指針。

3.第4行,subl $24,%esp 從棧指針減去0x18 byte,使得棧指針下移,將棧的空間增大了0x18=24byte;

  • 調整棧指針,為局部變量保留空間。局部變量必須放置在棧上,在C代碼中,a與b兩個局部變量,兩者都是整型變量,在內存中都需要4個byte。

  • 因為棧的前4個byte保存了 幀指針的舊值(上一個活動記錄),編譯器將接下來的兩個 4byte內存分配給了這兩個局部變量。

  • ebp - 0xC 存著局部變量a的值 3 ; ebp - 0x8 存著局部變量b的值 4 (這裡可以看到參數是從右到左 壓入棧的)。

4.第5行 ,第6行 movl $0x3, -0xC(%ebp) movl $0x4, -0x8(%ebp) : 為了向分配的內存空間設置初始值(對應C中 局部變量的初始化),編譯器使用了處理器的指針反引用選項。 這兩天指令通知編譯器,引用“幀指針減12”得到的值 在內存中指向的位置。使用mov指令將值3 寫入該位置。

  • 編譯器接下來用同樣的方法處理第2個局部變量,其在棧的位置稍低,ebp - 0x8 (ebp - 8byte) 位置 ,值為4。

5.第7行,第8行設置第2個參數(b),第9行,第10行負責設置第1個參數(a)。 movl -8(%ebp), %eax ; movl %eax, 4(%esp) ; movl -12(%ebp), %eax; movl %eax, (%esp)

  • 局部變量a和b必須用作即將調用的add過程調用的參數。編譯器通過將適當的值放置在棧的末端���建立參數列表。

  • 如前所述,第一個參數在最低部。棧指針用於查找棧的末尾。

  • 內存中對應的位置通過指針反引用確定。將棧上的兩個局部變量的值分別讀入eax寄存器,然後將eax的值寫入參數列表中對應的位置。(一般情況)

6.上圖描述了 add()函數調用前後,棧的狀態。現在可以使用call 指令調用add()函數。call指令 將eip(指令指針寄存器)壓入棧,代碼控制流在add例程的開始處恢復執行。

  • 根據調用約定,例程首先將此前的幀指針(ebp)壓入棧,並將棧指針(esp)賦值給 幀指針(ebp)。

  • 過程的參數可以根據幀指針(ebp)查找。編譯器知道參數就在調用函數的活動記錄末尾,而在當前活動記錄開始處又存儲了兩個4byte的值(返回地址,舊幀指針)。因此參數可以通過反引用ebp+8和ebp+12訪問。

  • add 指令用於 加法,而eax寄存器用作工作空間。結果值就保存在該寄存器中,使它可以傳遞給調用函數(這裡是main())。

  • 為了返回到調用函數,需要執行以下兩個操作: <a>使用pop將存儲的幀指針(ebp)從棧彈出到ebp寄存器。棧幀的頂端重新恢復到main()的設置;<b>ret將返回地址從棧彈出到 eip(指令指針)寄存器,控制流轉向該地址。

7.因為main()中還使用了另一個局部變量(ret)來存儲add()函數的返回值,返回後需要將eax寄存器的值 copy 到ret在棧上的位置。

總結

關於AT&T匯編

enter指令
在AT&T匯編中,enter等效於以下匯編指令:
pushl %ebp # 將%ebp壓棧
movl %esp %ebp # 將%esp保存到%ebp, 這兩步是函數的標准開頭
leave指令
在AT&T匯編中,leave等效於以下匯編指令:
movl %ebp, %esp
popl %ebp
call指令
在AT&T匯編中,call foo(foo是一個標號)等效於以下匯編指令:
pushl %eip
movl f, %eip
ret指令
在AT&T匯編中,ret等效於以下匯編指令:
popl %eip

(個人理解)匯編可以用一句話概括:匯編就是在(寄存器和寄存器)或 (寄存器和內存)之間來回move 數據;就是指:數據在內存和寄存器間來回流動,流動的越頻繁就代表程序越復雜,比如office這樣的大型軟件。

從C語言層面分析:

EBP-xx 一般 是局部變量

EBP+xx 一般都是參數

EBP+4 返回地址 ,制高點, 很多攻擊都是攻擊這裡, 殺毒軟件,這裡是重點會掃描。

C函數堆棧中分配的空間,並不會清零,所以在寫C代碼的時候,局部變量一定要初始化賦值。

參數的傳遞形式、傳遞順序已經棧平衡並不是固定的(不同的函數調用約定)。

關於 寄存器 與內存的區別:

寄存器位於cpu內部,執行速度快,但比較貴。

內存速度相對較慢,成本低,所以容量能做很大。

寄存器和內存沒有本質區別,都是用於存儲數據的容器,都是定寬的。

寄存器常用的8個通用寄存器 :EAX,ECX,EDX,EBX, ESP, EBP, ESI, EDI.

計算機中的幾個常用計量單位:BYTE, WORD, DWORD :BYTE(字節) = 8bit ; WORD (字 ) = 16bit ; DWORD (雙字)=32bit;

內存的數量特別龐大,無法每個內存單元都命名一個名字,所以用編號來替代。

我們稱計算機CPU是32bit或者64bit,有很多書上說之所以叫32bit計算機是因為寄存器的寬度是32bit,這是不准確的,因為還有很多寄存器是大於32bit的。

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