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

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1. x86 Disassembly/The Stack ↩︎

2. What is between ESP and EBP? ↩︎

3. x86 Disassembly/Functions and Stack Frames ↩︎ ↩︎