gcc之-fomit-frame-point

Kernel里的dump_stack(), oops打印出来的backstrace调用链表是怎样实现的呢？

大家都知道当发生函数调用的时候，函数的参数传递，返回值传递都要遵循一定的规则，在ARM体系架构下，这个规则叫做Procedure Call Standard for the ARM Architecture。在这个规则里规定了函数调用的时候，返回地址在LR里面，第一到第四个参数在r0~r3里面，第五到第八个参数在Stack里面，返回值在r0里面。这是基本规则，C编译器产生汇编指令是必须遵循这些规则，这也是ABI(Application Binary Interface）的一部分。另外，为了实现连续的函数调用，如fun_a()->func_b()->func_c()，每个函数的入口处必须先把LR压到stack里，否则func_b()调了func_c()之后，LR变成了func_c()的返回地址，而func_b()返回地址就丢失了。

有了以上这些原则，可以追溯函数的调用历史。即只要找到堆栈里的LR就知道是那个从那个函数调用过来的。要知道stack里LR的位置就必须要知道当前函数stack开始的地方，否则stack里那个位置存放了LR。通用的定位每个函数stack开始的地方的方法是在编译的时候让编译器在目标代码中嵌入stack frame(栈帧）。此外，gcc还能够在elf文件中生成unwind table，unwind table也能实现追踪call stack。下面主要讲述stack frame。


什么是Stack frame：

stack frame（栈帧）是用来追踪代码的调用过程和调用时的参数，通过读取stack frame信息可以知道到执行到当前位置的函数调用链表（call stack)。

Stack frame的本质是每次函数调用都在stack里记录一个frame，每一次函数调用叫做一个frame。ARM里的fp寄存器就是用来指证当前所在函数的frame的，fp总是指向当前函数堆栈的frame。
 

Stack frame的产生方法：

stack frame是由编译器产生的，也就是gcc在生成可执行代码时，在每个函数入口的地方“放置”一个stack frame。在调用gcc编译时可以指定参数来要求gcc产生或不产生stack frame，这个参数是：
 

-fomit-frame-point：让gcc不产生stack frame
-fno-omit-frame-pointer：让gcc产生stack frame

如果不指定这两个参数，是否产生stack frame取决于gcc default是omit-frame-point，还是 no-omit-frame-pointer。

Stack frame是什么样的

通过一个简单的C程序来看一下在binary里，stack frame究竟是怎样的

test.c:

static int func_b(int a, int b, int c, int d, int e, int f) {        return a + b + c + d + e + f; } static int func_c(int a, int b) {        return a - b; } static int func_a(int x, int y) {        int a = 3;        int b = 4;        int c = 5;        int d = 6;        int e = 7;        int f = 8;        int ret;        ret = func_b(a, b, c, d, e, f);        ret = func_c(a, ret);        return ret; } int main(int argc, char * argv[]) {        int a = 1;        int b = 2;        int ret;        ret = func_a(a, b);        return ret; }

编译有stack frame的binary:
   arm-none-linux-gnueabi-gcc -fno-omit-frame-pointer test.c -o test.no-omit-frame-pointer
编译无stack frame的binary:
   arm-none-linux-gnueabi-gcc -fomit-frame-pointer test.c -o test.omit-frame-pointer

分别objdump以上编译所得的两个binary:
   arm-none-linux-gnueabi-objdump -S test.no-omit-frame-pointer > test.no-omit-frame-pointer.objdump
   arm-none-linux-gnueabi-objdump -S test.omit-frame-pointer > test.omit-frame-pointer.objdump
   
打开两个dump出来的assembly (只关注我们的main(), func_a(), func_b()三个函数，忽略libc的部分）:

test.no-omit-frame-pointer.objdump：

000084e4 <>:    84e4:   e52db004    push   {fp}      ; (str fp, [sp, #-4]!)    84e8:   e28db000    add   fp, sp, #0    84ec:   e24dd014    sub   sp, sp, #20    84f0:   e50b0008    str   r0, [fp, #-8]    84f4:   e50b100c    str   r1, [fp, #-12]    84f8:   e50b2010    str   r2, [fp, #-16]    84fc:   e50b3014    str   r3, [fp, #-20]    ; 0xffffffec    8500:   e51b2008    ldr   r2, [fp, #-8]    8504:   e51b300c    ldr   r3, [fp, #-12]    8508:   e0822003    add   r2, r2, r3    850c:   e51b3010    ldr   r3, [fp, #-16]    8510:   e0822003    add   r2, r2, r3    8514:   e51b3014    ldr   r3, [fp, #-20]    ; 0xffffffec    8518:   e0822003    add   r2, r2, r3    851c:   e59b3004    ldr   r3, [fp, #4]    8520:   e0822003    add   r2, r2, r3    8524:   e59b3008    ldr   r3, [fp, #8]    8528:   e0823003    add   r3, r2, r3    852c:   e1a00003    mov   r0, r3    8530:   e28bd000    add   sp, fp, #0    8534:   e8bd0800    ldmfd   sp!, {fp}    8538:   e12fff1e    bx   lr 0000853c <>:    853c:   e52db004    push   {fp}      ; (str fp, [sp, #-4]!)    8540:   e28db000    add   fp, sp, #0    8544:   e24dd00c    sub   sp, sp, #12    8548:   e50b0008    str   r0, [fp, #-8]    854c:   e50b100c    str   r1, [fp, #-12]    8550:   e51b2008    ldr   r2, [fp, #-8]    8554:   e51b300c    ldr   r3, [fp, #-12]    8558:   e0633002    rsb   r3, r3, r2    855c:   e1a00003    mov   r0, r3    8560:   e28bd000    add   sp, fp, #0    8564:   e8bd0800    ldmfd   sp!, {fp}    8568:   e12fff1e    bx   lr 0000856c <>:    856c:   e92d4800    push   {fp, lr}    8570:   e28db004    add   fp, sp, #4    8574:   e24dd030    sub   sp, sp, #48   ; 0x30    8578:   e50b0028    str   r0, [fp, #-40]    ; 0xffffffd8    857c:   e50b102c    str   r1, [fp, #-44]    ; 0xffffffd4    8580:   e3a03003    mov   r3, #3    8584:   e50b3008    str   r3, [fp, #-8]    8588:   e3a03004    mov   r3, #4    858c:   e50b300c    str   r3, [fp, #-12]    8590:   e3a03005    mov   r3, #5    8594:   e50b3010    str   r3, [fp, #-16]    8598:   e3a03006    mov   r3, #6    859c:   e50b3014    str   r3, [fp, #-20]    ; 0xffffffec    85a0:   e3a03007    mov   r3, #7    85a4:   e50b3018    str   r3, [fp, #-24]    ; 0xffffffe8    85a8:   e3a03008    mov   r3, #8    85ac:   e50b301c    str   r3, [fp, #-28]    ; 0xffffffe4    85b0:   e51b3018    ldr   r3, [fp, #-24]    ; 0xffffffe8    85b4:   e58d3000    str   r3, [sp]    85b8:   e51b301c    ldr   r3, [fp, #-28]    ; 0xffffffe4    85bc:   e58d3004    str   r3, [sp, #4]    85c0:   e51b0008    ldr   r0, [fp, #-8]    85c4:   e51b100c    ldr   r1, [fp, #-12]    85c8:   e51b2010    ldr   r2, [fp, #-16]    85cc:   e51b3014    ldr   r3, [fp, #-20]    ; 0xffffffec    85d0:   ebffffc3    bl   84e4 <>    85d4:   e50b0020    str   r0, [fp, #-32]    ; 0xffffffe0    85d8:   e51b0008    ldr   r0, [fp, #-8]    85dc:   e51b1020    ldr   r1, [fp, #-32]    ; 0xffffffe0    85e0:   ebffffd5    bl   853c <>    85e4:   e50b0020    str   r0, [fp, #-32]    ; 0xffffffe0    85e8:   e51b3020    ldr   r3, [fp, #-32]    ; 0xffffffe0    85ec:   e1a00003    mov   r0, r3    85f0:   e24bd004    sub   sp, fp, #4    85f4:   e8bd8800    pop   {fp, pc} 000085f8 < >:    85f8:   e92d4800    push   {fp, lr}    85fc:   e28db004    add   fp, sp, #4    8600:   e24dd018    sub   sp, sp, #24    8604:   e50b0018    str   r0, [fp, #-24]    ; 0xffffffe8    8608:   e50b101c    str   r1, [fp, #-28]    ; 0xffffffe4    860c:   e3a03001    mov   r3, #1    8610:   e50b3008    str   r3, [fp, #-8]    8614:   e3a03002    mov   r3, #2    8618:   e50b300c    str   r3, [fp, #-12]    861c:   e51b0008    ldr   r0, [fp, #-8]    8620:   e51b100c    ldr   r1, [fp, #-12]    8624:   ebffffd0    bl   856c <>    8628:   e50b0010    str   r0, [fp, #-16]    862c:   e51b3010    ldr   r3, [fp, #-16]    8630:   e1a00003    mov   r0, r3    8634:   e24bd004    sub   sp, fp, #4    8638:   e8bd8800    pop   {fp, pc}

test.omit-frame-pointer.objdump：

 

000084e4 <>:    84e4:   e24dd010    sub   sp, sp, #16    84e8:   e58d000c    str   r0, [sp, #12]    84ec:   e58d1008    str   r1, [sp, #8]    84f0:   e58d2004    str   r2, [sp, #4]    84f4:   e58d3000    str   r3, [sp]    84f8:   e59d200c    ldr   r2, [sp, #12]    84fc:   e59d3008    ldr   r3, [sp, #8]    8500:   e0822003    add   r2, r2, r3    8504:   e59d3004    ldr   r3, [sp, #4]    8508:   e0822003    add   r2, r2, r3    850c:   e59d3000    ldr   r3, [sp]    8510:   e0822003    add   r2, r2, r3    8514:   e59d3010    ldr   r3, [sp, #16]    8518:   e0822003    add   r2, r2, r3    851c:   e59d3014    ldr   r3, [sp, #20]    8520:   e0823003    add   r3, r2, r3    8524:   e1a00003    mov   r0, r3    8528:   e28dd010    add   sp, sp, #16    852c:   e12fff1e    bx   lr 00008530 <>:    8530:   e24dd008    sub   sp, sp, #8    8534:   e58d0004    str   r0, [sp, #4]    8538:   e58d1000    str   r1, [sp]    853c:   e59d2004    ldr   r2, [sp, #4]    8540:   e59d3000    ldr   r3, [sp]    8544:   e0633002    rsb   r3, r3, r2    8548:   e1a00003    mov   r0, r3    854c:   e28dd008    add   sp, sp, #8    8550:   e12fff1e    bx   lr 00008554 <>:    8554:   e52de004    push   {lr}      ; (str lr, [sp, #-4]!)    8558:   e24dd034    sub   sp, sp, #52   ; 0x34    855c:   e58d000c    str   r0, [sp, #12]    8560:   e58d1008    str   r1, [sp, #8]    8564:   e3a03003    mov   r3, #3    8568:   e58d302c    str   r3, [sp, #44]   ; 0x2c    856c:   e3a03004    mov   r3, #4    8570:   e58d3028    str   r3, [sp, #40]   ; 0x28    8574:   e3a03005    mov   r3, #5    8578:   e58d3024    str   r3, [sp, #36]   ; 0x24    857c:   e3a03006    mov   r3, #6    8580:   e58d3020    str   r3, [sp, #32]    8584:   e3a03007    mov   r3, #7    8588:   e58d301c    str   r3, [sp, #28]    858c:   e3a03008    mov   r3, #8    8590:   e58d3018    str   r3, [sp, #24]    8594:   e59d301c    ldr   r3, [sp, #28]    8598:   e58d3000    str   r3, [sp]    859c:   e59d3018    ldr   r3, [sp, #24]    85a0:   e58d3004    str   r3, [sp, #4]    85a4:   e59d002c    ldr   r0, [sp, #44]   ; 0x2c    85a8:   e59d1028    ldr   r1, [sp, #40]   ; 0x28    85ac:   e59d2024    ldr   r2, [sp, #36]   ; 0x24    85b0:   e59d3020    ldr   r3, [sp, #32]    85b4:   ebffffca    bl   84e4 <>    85b8:   e58d0014    str   r0, [sp, #20]    85bc:   e59d002c    ldr   r0, [sp, #44]   ; 0x2c    85c0:   e59d1014    ldr   r1, [sp, #20]    85c4:   ebffffd9    bl   8530 <>    85c8:   e58d0014    str   r0, [sp, #20]    85cc:   e59d3014    ldr   r3, [sp, #20]    85d0:   e1a00003    mov   r0, r3    85d4:   e28dd034    add   sp, sp, #52   ; 0x34    85d8:   e8bd8000    ldmfd   sp!, {pc} 000085dc < >:    85dc:   e52de004    push   {lr}      ; (str lr, [sp, #-4]!)    85e0:   e24dd01c    sub   sp, sp, #28    85e4:   e58d0004    str   r0, [sp, #4]    85e8:   e58d1000    str   r1, [sp]    85ec:   e3a03001    mov   r3, #1    85f0:   e58d3014    str   r3, [sp, #20]    85f4:   e3a03002    mov   r3, #2    85f8:   e58d3010    str   r3, [sp, #16]    85fc:   e59d0014    ldr   r0, [sp, #20]    8600:   e59d1010    ldr   r1, [sp, #16]    8604:   ebffffd2    bl   8554 <>    8608:   e58d000c    str   r0, [sp, #12]    860c:   e59d300c    ldr   r3, [sp, #12]    8610:   e1a00003    mov   r0, r3    8614:   e28dd01c    add   sp, sp, #28    8618:   e8bd8000    ldmfd   sp!, {pc}

    可以看到有stack frame的binary (test.no-omit-frame-pointer.objdump) 中每个main(), func_a(), func_b()入口的地 方都有push fp, lr和add fp, sp, #4；而无stack frame的binary (test.omit-frame-pointer.objdump) 中函数入口的地方并没有这两句指令。push fp的作用是把调用函数(caller)的fp保存到被调用函数(callee)的stack开始处，随后add fp, sp, #4将fp指向被调用函数（callee) 的stack开始的地方。fp总是指向当前函数的stack开始的地方，通过当前函数stack里保存的caller的fp可以追溯到caller的堆栈。通过fp的逐级连接就可以找到调用链上每个函数的stack，从而每个函数的LR（返回地址）都可以从stack里获得，只要在symbol table里搜索一下LR的值，就可以知道caller是哪个函数了。有了stack frame不但可以通过stack里的LR得到caller的地址，还可以知道函数调用时的参数，回想一下前面说的‘第一到第四个参数在r0~r3里面，第五到第八个参数在Stack里面’。具体分析一下上面的汇编代码，结合 Procedure Call Standard for the ARM Architecture规定的调用原则，绘制出stack frame的结构如下：



 从上面的例子可以看到一个函数（如func_a())的stack frame里，开始的地方放的是fp, lr（如果是最后一级的被调用函数，如func_b,func_c则lr无需保存到stack)，然后是函数的内部变量，之后是该函数的参数1~参数4，最后是其调用的函数（本例中是func_b()）的参数5~参数8。在本例中如果在func_b()中要追溯call stack，从lr可以知道哪个函数调用了它，fp寄存器保存了func_b的stack frame的起始地址，该地址上存放了上一级stack frame的起始地址（caller的stack frame)，该地址向stack缩小方向存放了caller调用func_b()的时候传递的参数5~8（如果有参数5~8的话），该地址向stack伸长方向到存放调用下一个函数的参数5~8之前的位置存放了caller调用func_b()的时候传递的参数1~4。