x86彙編之棧與子程式呼叫

LightningStar發表於2020-04-20

什麼是棧

棧與普通資料結構所說的棧的概念是相似的，遵循後進先出原則。不同的是彙編中所說的棧是一個在記憶體中連續的儲存資料的區域，也即是實際存在的記憶體區域，進棧和出棧遵循後進先出原則。

在x86架構中，棧是向下生長的，即棧頂指標小於棧底指標。

ESP

ESP是x86架構中用於儲存當前棧頂位置的暫存器。更多詳細內容請參閱參考資料[1]

下面的兩對程式碼是相互等價的
入棧操作：

push eax

;修改棧頂指標
sub esp, 4  ; 由於是向下生長，所以esp - 4, 減去4是因為eax佔4個位元組
mov DWORD PTR SS:[ESP], eax ;放入esp指定的記憶體區域

出棧操作

pop eax

mov eax, dword ptr ss:[esp]
add esp, 4  ;理解同入棧，注意這兩行程式碼順序與入棧不同

清除棧頂資料

假如我們要清除棧頂的四個雙字的資料，只需要修改ESP即可

add esp, 4 * 4  ; 一個雙字佔4個位元組，共4個雙字

EBP

棧的一個典型應用就是函式呼叫時的引數傳遞。ESP儲存的是當前棧的棧頂指標，EBP儲存的是當前stack frame的基址[2].

如[3]所述，在可執行環境中函式經常以stack frame的形式來進行引數傳遞和函式區域性變數的訪問。stack frame的概念使得每一個子程式（在彙編中函式通常稱為子程式）都能夠擁有獨立的棧空間。當函式被呼叫時，以當前esp所在位置為基址建立了stack frame，當前的esp就是stack frame的棧幀基址，在執行其他命令之前需要把棧基址儲存在ebp當中。

值得注意的是棧幀的概念是邏輯上的概念，實際上並不存在。一個程式仍然只是擁有一個棧，只是為了方便子程式內部的使用而引入了棧幀的概念。

standard entry sequence

有關更多在子程式呼叫中如何使用棧幀概念進行子程式呼叫請參閱[3:1].

一般而言，在子程式中首先要執行下面一段程式碼：

push ebp    ;儲存主調函式的棧幀基址
mov ebp, esp    ;當前函式的棧幀基址
sub esp, X  ;X表示函式中要用到的變數大小，用於分配空間

例如一個C程式的函式：

void MyFunction()
{
    int a, b, c;
    ...
}

則對應彙編程式的進入程式碼為：

_MyFunction:
    push ebp
    mov ebp, esp
    sub esp, 12 ;4 * 3, int 型別是dword

若對上面的程式碼有：

a = 10;
b = 5;
c = 2;

則對應的彙編為：

mov [ebp - 4], 10
mov [ebp - 8], 5
mov [ebp - 12],2

為什麼儲存ebp

為了更好的理解ebp，我們考慮下面帶有引數的函式

vod MyFunction2(int x, int y, int z)
{
    ...
}

彙編程式碼如下:

_MyFunction2:
    push ebp
    mov ebp, esp
    sub esp, 0; no local variables, most compilers will omit this line

當呼叫函式時MyFunction2(10,5, 2),在彙編中呼叫格式如下：

;通過棧進行引數傳遞
; 引數從右向左壓入棧，這樣第一個pop出來的資料即是第一個引數
push 2
push 5
push 10
call _MyFunction2

其中，call _MyFunction2等價於下列指令：

push eip + 2 ;return address is current address + size of two instructions
jmp _MyFunction2

進入到子程式之後就要執行entry sequence程式碼：

push ebp
mov ebp, esp
sub esp, X; X為區域性變數需要的位元組數目

此時在棧中的內容如下：

:    : 
|  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)

就目前看來似乎並沒有必要使用ebp，因為單單使用esp也能夠解決問題，但是利用esp訪問變數是不可靠的，因此需要ebp去訪問變數，因此需要儲存舊的ebp的值。

Standard Exit Sequence

standard exit sequence是用於撤銷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 ; 這一步是直接把棧頂指標指向儲存返回地址的地方
               ; 直接消除了區域性變數的影響
  pop ebp
  ret 12 ; sizeof(x) + sizeof(y) + sizeof(z)

參考資料

  1. x86 Disassembly/The Stack ↩︎

  2. What is between ESP and EBP? ↩︎

  3. x86 Disassembly/Functions and Stack Frames ↩︎ ↩︎

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