X86汇编语言学习手记(2)
作者: Badcoffee
Email: [email protected]
2004年11月
原文出处: http://blog.csdn.net/yayong
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这是作者在学习X86汇编过程中的学习笔记，难免有错误和疏漏之处，欢迎指正。作者将随时修改错误并将新的版本发布在自己的Blog站点上。严格说来，本篇文档更侧重于C语言和C编译器方面的知识，如果涉及到基本的汇编语言的内容，可以参考相关文档。
自X86 汇编语言学习手记(1)在作者的Blog上发布以来，得到了很多网友的肯定和鼓励，并且还有热心网友指出了其中的错误，作者已经将文档中已发现的错误修正后更新在Blog上。
上一篇文章通过分析一个最简的C程序，引出了以下概念：
Stack Frame 栈框架 和 SFP 栈框架指针
Stack aligned 栈对齐
Calling Convention 调用约定 和 ABI (Application Binary Interface) 应用程序二进制接口
本章中，将通过进一步的实验，来深入了解这些概念。如果还不了解这些概念，可以参考 X86汇编语言学习手记(1)。
1. 局部变量的栈分配
上篇文章已经分析过一个最简的C程序，
下面我们分析一下C编译器如何处理局部变量的分配，为此先给出如下程序：
#vi test2.c
int main()
{
int i;
int j=2;
i=3;
i=++i;
return i+j;
}
编译该程序，产生二进制文件，并利用mdb来观察程序运行中的stack的状态：
#gcc test2.c -o test2
#mdb test2
Loading modules: [ libc.so.1 ]
> main::dis
main: pushl %ebp
main+1: movl %esp,%ebp ; main至main+1，创建Stack Frame
main+3: subl $8,%esp ; 为局部变量i,j分配栈空间，并保证栈16字节对齐
main+6: andl $0xf0,%esp
main+9: movl $0,%eax
main+0xe: subl %eax,%esp ; main+6至main+0xe，再次保证栈16字节对齐
main+0x10: movl $2,-8(%ebp) ; 初始化局部变量j的值为2
main+0x17: movl $3,-4(%ebp) ; 给局部变量i赋值为3
main+0x1e: leal -4(%ebp),%eax ; 将局部变量i的地址装入到EAX寄存器中
main+0x21: incl (%eax) ; i++
main+0x23: movl -8(%ebp),%eax ; 将j的值装入EAX
main+0x26: addl -4(%ebp),%eax ; i+j并将结果存入EAX，作为返回值
main+0x29: leave ; 撤销Stack Frame
main+0x2a: ret ; main函数返回
>
> main+0x10:b ; 在地址 main+0x10处设置断点
> main+0x1e:b ; 在main+0x1e设置断点
> main+0x29:b ; 在main+0x1e设置断点
> main+0x2a:b ; 在main+0x1e设置断点
下面的mdb的4个命令在一行输入，中间用分号间隔开，命令的含义在注释中给出：
> :r;<esp,10/nap;<ebp=X;<eax=X ; 运行程序(:r 命令)
mdb: stop at main+0x10 ; 以ESP寄存器为起始地址，指定格式输出16字节的栈内容(<esp,10/nap 命令)
mdb: target stopped at: ; 在最后输出EBP和EAX寄存器的值(<ebp=X 命令 和<eax=X 命令)
main+0x10: movl $2,-8(%ebp) ; 程序运行后在main +0x10处指令执行前中断，此时栈分配后还未初始化
0x8047db0:
0x8047db0: 0xddbebca0 ; 这是变量j，4字节，未初始化，此处为栈顶，ESP的值就是0x8047db0
0x8047db4: 0xddbe137f ; 这是变量i， 4字节，未初始化
0x8047db8: 0x8047dd8 ; 这是_start的SFP(_start的EBP),4字节，由main 的SFP指向它
0x8047dbc: _start+0x5d ; 这是_start调用main之前压栈的下条指令地址，main返回后将恢复给EIP
0x8047dc0: 1
0x8047dc4: 0x8047de4
0x8047dc8: 0x8047dec
0x8047dcc: _start+0x35
0x8047dd0: _fini
0x8047dd4: ld.so.1`atexit_fini
0x8047dd8: 0 ; _start的SFP指向的内容为0，证明_start是程序的入口
0x8047ddc: 0
0x8047de0: 1
0x8047de4: 0x8047eb4
0x8047de8: 0
0x8047dec: 0x8047eba
8047db8 ; 这是main当前EBP寄存器的值，即main的SFP
0 ; EAX的值，当前为0
> :c;<esp,10/nap;<ebp=X;<eax=X ; 继续运行程序(:c 命令)，其余3命令同上，打印16字节栈和EBP,EAX内容
mdb: stop at main+0x1e
mdb: target stopped at:
main+0x1e: leal -4(%ebp),%eax ; 程序运行到断点main+0x1e处停止，此时局部变量i,j赋值已完成
0x8047db0:
0x8047db0: 2 ; 这是变量j，4字节，值为2，此处为栈顶，ESP的值就是0x8047db0
0x8047db4: 3 ; 这是变量i，4字节，值为3
0x8047db8: 0x8047dd8 ; 这是_start的SFP，4字节
0x8047dbc: _start+0x5d ; 这是返回_start后的EIP
0x8047dc0: 1
0x8047dc4: 0x8047de4
0x8047dc8: 0x8047dec
0x8047dcc: _start+0x35
0x8047dd0: _fini
0x8047dd4: ld.so.1`atexit_fini
0x8047dd8: 0
0x8047ddc: 0
0x8047de0: 1
0x8047de4: 0x8047eb4
0x8047de8: 0
0x8047dec: 0x8047eba
8047db8 ; 这是main当前EBP寄存器的值，即main的SFP
0 ; EAX的值，当前为0
> :c;<esp,10/nap;<ebp=X;<eax=X ; 继续运行程序，打印16字节栈和EBP,EAX内容
mdb: stop at main+0x29
mdb: target stopped at:
main+0x29: leave ; 运行到断点main+0x29处停止，计算已经完成，即将撤销Stack Frame
0x8047db0:
0x8047db0: 2 ; 这是变量j，4字节，值为2，此处为栈顶，ESP的值就是0x8047db0
0x8047db4: 4 ; 这是i++以后的变量i，4字节，值为3
0x8047db8: 0x8047dd8 ; 这是_start的SFP，4字节
0x8047dbc: _start+0x5d ; 这是返回_start后的EIP
0x8047dc0: 1
0x8047dc4: 0x8047de4
0x8047dc8: 0x8047dec
0x8047dcc: _start+0x35
0x8047dd0: _fini
0x8047dd4: ld.so.1`atexit_fini
0x8047dd8: 0
0x8047ddc: 0
0x8047de0: 1
0x8047de4: 0x8047eb4
0x8047de8: 0
0x8047dec: 0x8047eba
8047db8 ; 这是main当前EBP寄存器的值，即main的SFP
6 ; EAX的值，即函数的返回值，当前为6
> :c;<esp,10/nap;<ebp=X;<eax=X ; 继续运行程序，打印16字节栈和EBP,EAX内容
mdb: stop at main+0x2a
mdb: target stopped at:
main+0x2a: ret ; 运行到断点main+0x2a处停止，Stack Frame已被撤销，main即将返回
0x8047dbc:
0x8047dbc: _start+0x5d ; Stack Frame已经被撤销，栈顶是返回_start后的EIP，main的栈已被释放
0x8047dc0: 1
0x8047dc4: 0x8047de4
0x8047dc8: 0x8047dec
0x8047dcc: _start+0x35
0x8047dd0: _fini
0x8047dd4: ld.so.1`atexit_fini
0x8047dd8: 0
0x8047ddc: 0
0x8047de0: 1
0x8047de4: 0x8047eb4
0x8047de8: 0
0x8047dec: 0x8047eba
0x8047df0: 0x8047ed6
0x8047df4: 0x8047edd
0x8047df8: 0x8047ee4
8047dd8 ; _start的SFP,之前存储在地址0x8047db8处，main的Stack Frame撤销时恢复 6 ; EAX的值，即函数的返回值，当前为6
> :s;<esp,10/nap;<ebp=X;<eax=X ; 单步执行下条指令(:s 命令)，打印16字节栈和EBP,EAX内容
mdb: target stopped at:
_start+0x5d: addl $0xc,%esp ; 此时main已经返回，_start+0x5d曾经存储在地址0x8047dbc处
0x8047dc0:
0x8047dc0: 1 ; main已经返回，_start +0x5d已经被弹出
0x8047dc4: 0x8047de4
0x8047dc8: 0x8047dec
0x8047dcc: _start+0x35
0x8047dd0: _fini
0x8047dd4: ld.so.1`atexit_fini
0x8047dd8: 0 ; _start的SFP指向的内容为0，证明_start是程序的入口
0x8047ddc: 0
0x8047de0: 1
0x8047de4: 0x8047eb4
0x8047de8: 0
0x8047dec: 0x8047eba
0x8047df0: 0x8047ed6
0x8047df4: 0x8047edd
0x8047df8: 0x8047ee4
0x8047dfc: 0x8047ef3
8047dd8 ; _start的SFP,之前存储在地址0x8047db8处，main的Stack Frame撤销时恢复
6 ; EAX的值为6，还是main函数的返回值
>
通过mdb对程序运行时的寄存器和栈的观察和分析，可以得出局部变量在栈中的访问和分配及释放方式：
1.局部变量的分配，可以通过esp减去所需字节数
subl $8,%esp
2.局部变量的释放，可以通过leave指令
leave
3.局部变量的访问，可以通过ebp减去偏移量
movl -8(%ebp),%eax
addl -4(%ebp),%eax
问题：当存在2个以上的局部变量时，如何进行栈对齐？
在上篇文章中，提到subl $8,%esp语句除了分配栈空间外，还有一个作用就是栈对齐。那么本例中，由于i和j正好是8字节，那么如果存在2个以上的局部变量时，如何同时满足空间分配和栈对齐呢？
2. 两个以上的局部变量的栈分配
在之前的C程序中，增加局部变量定义k，程序如下：
# vi test3.c
int main()
{
int i, j=2, k=4;
i=3;
i=++i;
k=i+j+k;
return k;
}
编译该程序后，用mdb反汇编得出如下结果：
# gcc test3.c -o test3
# mdb test3
Loading modules: [ libc.so.1 ]
> main::dis
main: pushl %ebp
main+1: movl %esp,%ebp ; main至main+1，创建Stack Frame
main+3: subl $0x18,%esp ; 为局部变量i,j,k分配栈空间，并保证栈16字节对齐
main+6: andl $0xf0,%esp
main+9: movl $0,%eax
main+0xe: subl %eax,%esp ; main+6至main+0xe，再次保证栈16字节对齐
main+0x10: movl $2,-8(%ebp) ; j=2
main+0x17: movl $4,-0xc(%ebp) ; k=4
main+0x1e: movl $3,-4(%ebp) ; i=3
main+0x25: leal -4(%ebp),%eax ; 将i的地址装入到EAX
main+0x28: incl (%eax) ; i++
main+0x2a: movl -8(%ebp),%eax ; 将j的值装入到 EAX
main+0x2d: movl -4(%ebp),%edx ; 将i的值装入到 EDX
main+0x30: addl %eax,%edx ; j+i，结果存入EDX
main+0x32: leal -0xc(%ebp),%eax ; 将k的地址装入到EAX
main+0x35: addl %edx,(%eax) ; i+j+k，结果存入地址ebp-0xc即k中
main+0x37: movl -0xc(%ebp),%eax ; 将k的值装入EAX，作为返回值
main+0x3a: leave ; 撤销Stack Frame
main+0x3b: ret ; main函数返回
>
问题：为什么3个变量分配了0x18字节的栈空间？
在2个变量的时候，分配栈空间的指令是：subl $8,%esp
而在3个局部变量的时候，分配栈空间的指令是：subl $0x18,%esp
3个整型变量只需要0xc字节，为何实际上分配了0x18字节呢？
答案就是：保持16字节栈对齐。
在X86 汇编语言学习手记(1)里，已经说明过gcc默认的编译是要16字节栈对齐的，subl $8,%esp会使栈16字节对齐，而8字节空间只能满足2个局部变量，如果再分配4字节满足第3个局部变量的话，那栈地址就不再16字节对齐的，而同时满足空间需要而且保持16字节栈对齐的最接近的就是0x18。
如果，各定义一个50字节和100字节的字符数组，在这种情况下，实际分配多少栈空间呢？答案是0x8+0x40+0x70，即184字节。
下面动手验证一下：
# vi test4.c
int main()
{
char str1[50];
char str2[100];
return 0;
}
# mdb test4
Loading modules: [ libc.so.1 ]
> main::dis
main: pushl %ebp
main+1: movl %esp,%ebp
main+3: subl $0xb8,%esp ; 为两个字符数组分配栈空间，同时保证16字节对齐
main+9: andl $0xf0,%esp
main+0xc: movl $0,%eax
main+0x11: subl %eax,%esp
main+0x13: movl $0,%eax
main+0x18: leave
main+0x19: ret
> 0xb8=D ; 16进制换算10进制
184
> 0x40+0x70+0x8=X ; 表达式计算，结果指定为16进制
b8
>
问题：定义了多个局部变量时，栈分配顺序是怎样的？
局部变量栈分配的顺序是按照变量声明先后的顺序，同一行声明的变量是按照从左到右的顺序入栈的，在test2.c中，变量声明如下：
int i, j=2, k=4;
而反汇编的结果中：
movl $2,-8(%ebp) ; j=2
movl $4,-0xc(%ebp) ; k=4
movl $3,-4(%ebp) ; i=3
其中不难看出，i,j,k的栈中的位置如下图：
+----------------------------+------> 高地址
| EIP (_start函数的返回地址) |
+----------------------------+
| EBP (_start函数的EBP) | <------ main函数的EBP指针(即SFP框架指针)
+----------------------------+
| i (EBP-4) |
+----------------------------+
| j (EBP-8) |
+----------------------------+
| k (EBP-0xc) |
+----------------------------+------> 低地址
图 2-1
3. 小结
这次通过几个试验程序，进一步了解了局部变量在栈中的分配和释放以及位置，并再次回顾了上篇文章中涉及到的以下概念：
SFP 栈框架指针
Stack aligned 栈对齐
并且，利用Solaris提供的mdb工具，直观的观察到了栈在程序运行中的动态变化，以及Stack Frame的创建和撤销，根据给出的图例的内容(图 2-1和图 1-1)，可以更清晰的了解IA32架构中栈在内存中的布局(Stack Layer)。
相关文档：
X86 汇编语言学习手记(1)
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Linux AT&T 汇编语言开发指南
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