[技術] C的function call與stack frame心得

Written on 12:00 上午 by Yu Lai

從大二的Program Language中學到stack對於C的function call的實做與功用的概念，
以及各個register的功用，但從未實際地深入了解其中register的變化．
剛好最近T40灌了Ubuntu Linux (x86)，就直接寫了些C code，
配合objdump與gdb來trace其中register的變化，於是有了這篇的心得．

首先是複習一下register：
%eip：instruction pointer，用來指到下一個instruction的位置．
%esp：stack pointer，用來指到目前stack的top．
%ebp：Frame pointer，用來指到目前stack frame的開頭．

這次所使用的source code：

#include <stdio.h>
void hi(int a, int b) {int i = 3;return;
}
int main(int argc, char *argv[]) {hi(1, 2);return 0;
}

我們先透過$ gcc -o test test.c編出test，
然後再透過objdump -d test來觀察disassemble出來的部份：

08048344 <hi>:8048344: 55                    push   %ebp8048345: 89 e5                 mov    %esp,%ebp8048347: 83 ec 10              sub    $0x10,%esp804834a: c7 45 fc 03 00 00 00  movl   $0x3,-0x4(%ebp)8048351: c9                    leave  8048352: c3                    ret    08048353 <main>:8048353: 8d 4c 24 04           lea    0x4(%esp),%ecx8048357: 83 e4 f0              and    $0xfffffff0,%esp804835a: ff 71 fc              pushl  -0x4(%ecx)804835d: 55                    push   %ebp804835e: 89 e5                 mov    %esp,%ebp8048360: 51                    push   %ecx8048361: 83 ec 08              sub    $0x8,%esp8048364: c7 44 24 04 02 00 00  movl   $0x2,0x4(%esp)804836b: 00 804836c: c7 04 24 01 00 00 00  movl   $0x1,(%esp)8048373: e8 cc ff ff ff        call   8048344 <hi>8048378: b8 00 00 00 00        mov    $0x0,%eax804837d: 83 c4 08              add    $0x8,%esp8048380: 59                    pop    %ecx8048381: 5d                    pop    %ebp8048382: 8d 61 fc              lea    -0x4(%ecx),%esp8048385: c3                    ret    8048386: 90                    nop

從0x0804835d開始，我們可以看到main()在呼叫hi()時的步驟，
首先先把ebp的值塞進stack中，然後把esp的值塞到ebp裡．
接著把esp減8(因為stack是由高位往低位)，再分別把0x2和0x1塞入stack中，
這2個其實就是把hi()所需的變數放入stack中，最後就是call 8048344 <hi>．
接著透過gdb設好breakpoint把stack中的值給印出來．

$ gdb -q test
(gdb) b hi
Breakpoint 1 at 0x804834a
(gdb) r
Starting program: /home/lazyf/test Breakpoint 1, 0x0804834a in hi ()
Current language:  auto; currently asm
(gdb) x/32xw $esp
0xbfb9a074: 0x0804953c 0xbfb9a088 0x08048280 0xb7f95ff4
0xbfb9a084: 0xbfb9a098 0x08048378 0x00000001 0x00000002
0xbfb9a094: 0xbfb9a0b0 0xbfb9a108 0xb7e61450 0xb7fc8ce0
0xbfb9a0a4: 0x080483a0 0xbfb9a108 0xb7e61450 0x00000001
0xbfb9a0b4: 0xbfb9a134 0xbfb9a13c 0xb7facb38 0x00000000
0xbfb9a0c4: 0x00000001 0x00000000 0x080481f5 0xb7f95ff4
0xbfb9a0d4: 0xb7fc8ce0 0x00000000 0xbfb9a108 0x67416081
0xbfb9a0e4: 0xd8282a91 0x00000000 0x00000000 0x00000000
(gdb)

從stack內的值我們可以觀察到，其實call指令所做的動作就是把下一筆instruction的
address(eip)給push進stack裡(0x08048378被放入0xbfb9a088中)，接著再把call的address
塞到eip再執行它．

接著到了hi()中，和main()一樣的先把ebp塞入stack中，然後把把esp的值塞到ebp裡．
從這裡我們可以知道，一個function開始時，會先把上一個function的ebp放入stack中，
接著馬上設定自己的ebp．從這裡可以用來確保目前所在function的ebp的值的正確性，
以及保存之後要return時上一個function的ebp的值．

在hi()中把ebp設定好後，它先在stack中allocate了16個byte來使用，接著我們看到了
在ebp-4的位置上被填入了0x3的值，也就是我們在程式中宣告的變數int i = 3;的實做．

最後是leave指令和ret指令所實做出來的return;．在這裡leave指令的操作相當於
把ebp的值放到esp中，然後從stack中pop出值來放到ebp裡，而ret指令的操作則相當於從
stack中pop出值來放到eip裡．也就是說除了eip外，esp和ebp都回到呼叫hi()之前的狀況．
完成hi()的呼叫．

另外，如果hi()有值需要被return時，通常會透過eax register來傳遞．
也就是說在$lt;hi>中的leave指令前會加入mov xxx,%eax指令，
在<main>中call <hi>指令的下一個指令會是mov %eax,yyy指令讀出eax放入yyy中
和mov $0x0,%eax指令把eax清空．

以上就是我從gdb與objdump中所觀察到的一個C的function被呼叫的過程．
如內容有所錯誤，煩請有看到的人不吝賜教．Thanks.