C温故补缺(十五):栈帧

栈帧

概念

栈帧:也叫过程活动记录,是编译器用来实现过程/函数调用的一种数据结构,每次函数的调用,都会在调用栈(call stack)上维护一个独立的栈帧(stack frame)

栈帧的内容

函数的返回地址和参数
临时变量:包括函数的非静态局部变量,以及编译器自动生成的其他临时变量
函数调用上下文
两个指针:ebp又称帧指针(frame pointer),指向当前栈帧的底部; esp,又称栈针织(stack pointer),始终指向栈顶

函数调用

函数调用过程中分:函数调用者(caller)和被调用的函数(callee)

调用者需要知道被调用函数的返回值

被调用函数需要知道传入的参数和返回的地址

步骤:

参数入栈:将参数按照调用约定依次压入系统栈
返回地址入栈:将当前代码区调用指令的下一条指令地址压入栈,供函数返回时继续执行,也就是保护现场和恢复现场
代码跳转:处理器将代码区跳转到被调用函数的入口处
栈帧调整:
将调用者的ebp压入栈,保存指向栈底ebp地址(用于恢复现场),此时esp指向新的栈顶位置
将当前栈帧切换到新栈帧(将esp值装入ebp,跟新栈底),此时ebp指向栈顶,
给新栈帧分配空间

函数返回

步骤:

保存被调用函数的返回值到eax寄存器
恢复esp同时收回局部变量空间
将上一个栈帧底部位置恢复到ebp
弹出当前元素栈顶元素,从栈中取到返回地址,并跳转到该位置,也就是再回到调用者,执行后续代码

举例说明

c代码:

int sum(int x,int y){

    int z=x+y;

    return z;

}

int main(){

    int a=1;

    int b=3;

    int c=sum(a,b);

}

汇编,且关闭编译器优化-O0

    .file    "test.c"

    .text

    .globl    sum

    .def    sum;    .scl    2;    .type    32;    .endef

    .seh_proc    sum

sum:

    pushq    %rbp

    .seh_pushreg    %rbp

    movq    %rsp, %rbp

    .seh_setframe    %rbp, 0

    subq    $16, %rsp

    .seh_stackalloc    16

    .seh_endprologue

    movl    %ecx, 16(%rbp)

    movl    %edx, 24(%rbp)

    movl    16(%rbp), %edx

    movl    24(%rbp), %eax

    addl    %edx, %eax

    movl    %eax, -4(%rbp)

    movl    -4(%rbp), %eax

    addq    $16, %rsp

    popq    %rbp

    ret

    .seh_endproc

    .def    __main;    .scl    2;    .type    32;    .endef

    .globl    main

    .def    main;    .scl    2;    .type    32;    .endef

    .seh_proc    main

main:

    pushq    %rbp

    .seh_pushreg    %rbp

    movq    %rsp, %rbp

    .seh_setframe    %rbp, 0

    subq    $48, %rsp

    .seh_stackalloc    48

    .seh_endprologue

    call    __main

    movl    $1, -4(%rbp)

    movl    $3, -8(%rbp)

    movl    -8(%rbp), %edx

    movl    -4(%rbp), %eax

    movl    %eax, %ecx

    call    sum

    movl    %eax, -12(%rbp)

    movl    $0, %eax

    addq    $48, %rsp

    popq    %rbp

    ret

    .seh_endproc

    .ident    "GCC: (x86_64-posix-seh-rev0, Built by MinGW-W64 project) 8.1.0"

过程详解:

补充:整个过程中虽然看不到RIP,但它一直被使用,RIP每次都指向下一条将要运行的指令

每次取出一条指令时,RIP就会自动偏移,指向下一条指令,如图:

当发生函数调用时,也就是call时,callq 指令会自动将rip压入栈,并将rip指向被调用的函数,如

先RIP指向 callq f(),下一次执行就是调用函数f(),查看此时的rsp

接着执行该指令

ip跳到了f()内的第一条指令push %rbq,再查看rsp

rsp中存入了0x00401586,正是call的下一条指令的位置

且也可以查看变量在栈帧内的存储形式

将1赋值给变量b,即mov 1 -4(%bp),查看内存

就是在bp的偏移4字节处

再来看ret,ret是将之前存的RIP给出栈,经过sub分配空间然后再add释放空间,pop rbp后,rsp刚好在旧的rip处

此时执行ret,会自动执行pop rip,也就恢复了现场

也就是说:

call f的本质是:

push %rip

mov f,%rip

ret的本质是:

pop %rip