x86汇编之栈与子程序调用

什么是栈

栈与普通数据结构所说的栈的概念是相似的，遵循后进先出原则。不同的是汇编中所说的栈是一个在内存中连续的保存数据的区域，也即是实际存在的内存区域，进栈和出栈遵循后进先出原则。

在x86架构中，栈是向下生长的，即栈顶指针小于栈底指针。

ESP

ESP是x86架构中用于保存当前栈顶位置的寄存器。更多详细内容请参阅参考资料^[1]

下面的两对代码是相互等价的

入栈操作：

push eax

;修改栈顶指针

sub esp, 4  ; 由于是向下生长，所以esp - 4, 减去4是因为eax占4个字节

mov DWORD PTR SS:[ESP], eax ;放入esp指定的内存区域

出栈操作

pop eax

mov eax, dword ptr ss:[esp]

add esp, 4  ;理解同入栈，注意这两行代码顺序与入栈不同

清除栈顶数据

假如我们要清除栈顶的四个双字的数据，只需要修改ESP即可

add esp, 4 * 4  ; 一个双字占4个字节，共4个双字

EBP

栈的一个典型应用就是函数调用时的参数传递。ESP保存的是当前栈的栈顶指针，EBP保存的是当前stack frame的基址^[2].

如^[3]所述，在可执行环境中函数经常以stack frame的形式来进行参数传递和函数局部变量的访问。stack frame的概念使得每一个子程序（在汇编中函数通常称为子程序）都能够拥有独立的栈空间。当函数被调用时，以当前esp所在位置为基址创建了stack frame，当前的esp就是stack frame的栈帧基址，在执行其他命令之前需要把栈基址保存在ebp当中。

值得注意的是栈帧的概念是逻辑上的概念，实际上并不存在。一个进程仍然只是拥有一个栈，只是为了方便子程序内部的使用而引入了栈帧的概念。

standard entry sequence

有关更多在子程序调用中如何使用栈帧概念进行子程序调用请参阅^[3:1].

一般而言，在子程序中首先要执行下面一段代码：

push ebp    ;保存主调函数的栈帧基址

mov ebp, esp    ;当前函数的栈帧基址

sub esp, X  ;X表示函数中要用到的变量大小，用于分配空间

例如一个C程序的函数：

void MyFunction()

{

    int a, b, c;

    ...

}

则对应汇编程序的进入代码为：

_MyFunction:

    push ebp

    mov ebp, esp

    sub esp, 12 ;4 * 3, int 类型是dword

若对上面的代码有：

a = 10;

b = 5;

c = 2;

则对应的汇编为：

mov [ebp - 4], 10

mov [ebp - 8], 5

mov [ebp - 12],2

为什么保存ebp

为了更好的理解ebp，我们考虑下面带有参数的函数

vod MyFunction2(int x, int y, int z)

{

    ...

}

汇编代码如下:

_MyFunction2:

    push ebp

    mov ebp, esp

    sub esp, 0; no local variables, most compilers will omit this line

当调用函数时MyFunction2(10,5, 2),在汇编中调用格式如下：

;通过栈进行参数传递

; 参数从右向左压入栈，这样第一个pop出来的数据即是第一个参数

push 2

push 5

push 10

call _MyFunction2

其中，call _MyFunction2等价于下列指令：

push eip + 2 ;return address is current address + size of two instructions

jmp _MyFunction2

进入到子程序之后就要执行entry sequence代码：

push ebp

mov ebp, esp

sub esp, X; X为局部变量需要的字节数目

此时在栈中的内容如下：

:    :

|  2 | [ebp + 16] (3rd function argument)

|  5 | [ebp + 12] (2nd argument)

| 10 | [ebp + 8]  (1st argument)

| RA | [ebp + 4]  (return address)

| FP | [ebp]      (old ebp value)

|    | [ebp - 4]  (1st local variable)

:    :

:    :

|    | [ebp - X]  (esp - the current stack pointer. The use of push / pop is valid now)

就目前看来似乎并没有必要使用ebp，因为单单使用esp也能够解决问题，但是利用esp访问变量是不可靠的，因此需要ebp去访问变量，因此需要保存旧的ebp的值。

Standard Exit Sequence

standard exit sequence是用于撤销standard entry sequence的。

void MyFunction3(int x, int y, int z)

{

  int a, b, c;

  ...

  return;

}

_MyFunction3:

  push ebp

  mov ebp, esp

  sub esp, 12 ; sizeof(a) + sizeof(b) + sizeof(c)

  ;x = [ebp + 8]

  ;y = [ebp + 12]

  ;z = [ebp + 16]

  ;a = [ebp - 4] = [esp + 8]

  ;b = [ebp - 8] = [esp + 4]

  ;c = [ebp - 12] = [esp]

  mov esp, ebp ; 这一步是直接把栈顶指针指向保存返回地址的地方

               ; 直接消除了局部变量的影响

  pop ebp

  ret 12 ; sizeof(x) + sizeof(y) + sizeof(z)

参考资料