详解汇编系统调用过程（以printf为例）

本文以printf为例，详细解析一个简单的printf调用里头，系统究竟做了什么，各寄存器究竟如何变化。

 

环境:

linux + gnu as assembler + ld linker

 

如何在汇编调用glibc的函数？其实也很简单，根据c convention call的规则，参数反向压栈，call，然后结果保存在eax里头。注意，保存的是地址。

在汇编里头，一切皆地址。（别纠结这个，别告诉我还有立即数……主要是要有一切皆地址的思想）

 

例如这个printf，在C里头，我们用得很多

int printf(const char *format, ...) 这里值得一提的是这个“...”是不定参数，也就是说后面有多少个参数，函数定义里头没有规定，感兴趣的可以google一下va_list相关的知识，这里就不展开了。

 

但是汇编怎么知道处理这个的呢？这里给个简单的解释，感兴趣的可以google一下“c convention call”了解更详细跟专业的解释。

例如当我们调用 result = printf( "%d %d", 12, a )的时候，编译器默认是这样处理的（除非函数定义声明了pascal call）。

在栈里头，先一次push a的地址，还有12这个立即数，再push "%d %d"这个字符串的地址，内存模型如下，x86的esp是往下增长的。

（这里是buttom，往下增长的是top）

&a

12

address of "%d %d"

-------------------------------------------(esp 指着这里 ，我们假设地址是4字节，12这个数也是4字节)

当call printf的时候，首先，push当前的eip入esp，解析esp+4所指的"%d %d"，因为%d这样的特定字符都定义了后面每个参数的大小，所以只要解析“%d %d”，我们就可以知道栈里头参数的情况，例如esp+4+4就是一个int，esp+4+4+4是另外一个int。

当返回的时候，先pop到eip，也就是把eip还原到call之后马上要执行的机器码，这时，esp就指着“%d %d”，esp+4指着12，esp+8指着a的地址。esp里头的内容怎么处理，看需要吧，你也可以pop出来，也可以不pop。但为了效率着想，如果空间够用，通常不pop，直接用mov指令把下一次要用的参数move进去。返回指储存在eax里头。

 

这也一定程度上解释了为什么c convention call是反向压栈，这样编译器处理起来方便，特别对于这些va_list，因为va_list后面不能继续跟参数，va_list一定出现在函数的末尾，如果是对printf这类的函数使用pascal call，也就是参数正向压栈，汇编级别处理起来就特别麻烦了。

 

眼见为实，下面就用汇编写一个调用printf的，并用gdb跟踪寄存器，看看是否是上述的一样。

文件：test_printf.s

 

.section .data
        format: .asciz "%d\n"
.section .text
.global _start
_start:
        pushl $12
        pushl $format
        call printf
        movl $0, (%esp)
        call exit

使用如下命令编译，链接

$ as -g test_printf.s -o test_printf.o

$ ld -lc -I /lib/ld-linux.so.2 test_printf.o -o test_printf

as加入-g是要加入调试信息，ld的-lc是链接libc.a，-I是--dynamic-linker，/lib/ld-linux.so.2这个要看各人系统情况。链接libc跟ld库之后，生成test_printf

执行

$ ./test_printf

12

输出12，正常退出。

 

 先用objdump看看test_printf里头的.text section

$ objdump -d test_printf

 

Disassembly of section .text:


080481c0 <_start>:
 80481c0:   6a 0c                   push   $0xc
 80481c2:   68 cc 92 04 08          push   $0x80492cc
 80481c7:   e8 d4 ff ff ff          call   80481a0 <printf@plt>
 80481cc:   c7 04 24 00 00 00 00    movl   $0x0,(%esp)
 80481d3:   e8 d8 ff ff ff          call   80481b0 <exit@plt>

 

 

下面使用gdb跟踪一下，看看上述是否正确。

$ gdb test_printf

 

(gdb) b _start  //设置断点到_start，主函数入口
Breakpoint 1 at 0x80481c0: file test_printf.s, line 7.
(gdb) run  //执行，遇到断点，停下，eip指着第7行，也就是第一条要执行的push指令
Starting program: /home/fengzh/research/c_and_asm/printf/test_printf 


Breakpoint 1, _start () at test_printf.s:7
warning: Source file is more recent than executable.

7 pushl $12

(gdb) info reg   //察看寄存器状况，这里只显示需要注意的寄存器
esp            0xbffff870 0xbffff870
eip            0x80481c0 0x80481c0 <_start>  //指着第一条指令地址

 

(gdb) s  //执行一步，eip指着下一条指令地址
8 pushl $format
(gdb) info reg
esp            0xbffff86c 0xbffff86c  // 86c = 870 - 4，对比上一条的esp，小了4，也就是stack增长了4个字节
eip            0x80481c2 0x80481c2 <_start+2>

 

(gdb) s //执行一步，下一条就是printf系统调用
9 call printf
(gdb) info reg
esp            0xbffff868 0xbffff868  // 868 = 86c - 4，增长了4个字节
eip            0x80481c7 0x80481c7 <_start+7>

 

//////////重点来了

(gdb) s
0xb7e91110 in printf () from /lib/libc.so.6  //执行一步，正式进入printf
(gdb) info reg
esp            0xbffff864 0xbffff864  // 864 = 868 - c，新push进去4个字节
eip            0xb7e91110 0xb7e91110 <printf> 

(gdb) x /1x $esp
0xbffff864: 0x080481cc  // esp的栈顶保存的是下一条要执行的代码的位置，movl的位置，（参考上面objdump的结果）

 

(gdb) s  //执行一步，printf已经执行完毕，
Single stepping until exit from function printf,
which has no line number information.
12   //这个是printf的输出
_start () at test_printf.s:10
10 movl $0, (%esp)
(gdb) info reg
eax            0x3                 3   // eax保存着这次printf的返回值，也就是被打印的字符数量，12\n，一共3个字符。
esp            0xbffff868 0xbffff868  // esp恢复到call printf之前的状态
eip            0x80481cc 0x80481cc <_start+12>   //恢复eip

 

(gdb) s  //执行movl指令，下一条是call exit
11 call exit
eax            0x3 3
esp            0xbffff868 0xbffff868
eip            0x80481d3 0x80481d3 <_start+19>

(gdb) x /1x $esp   
0xbffff868: 0x00000000   //esp并没有增长，因为printf之前的数据已经没用了，我没有把他们pop出来，而是直接用新的数据刷写esp所指的内存

 

(gdb) s
0xb7e77c80 in exit () from /lib/libc.so.6
(gdb) s
Single stepping until exit from function exit,
which has no line number information.
[Inferior 1 (process 1609) exited normally]

 

正常退出。一切都如上述。

 

经过这个简单的printf，我们可以清楚知道在一个glibc调用里头，汇编层面究竟是怎么做的，具体都做了些什么。

有了这个基础，如果各位想开发一门新语言，需要处理multiple return value的情况，就知道怎么做了。

例如，我需要处理这个函数[ a, b ] = function()

这个函数需要返回a跟b两个值。在c语言里头，构造一个struct，或者构造一个array，都是可行的。但是代码上看着就比较恶心，处理起来也麻烦。c语言返回值就只有一个，所以用一个eax就足够了，要么一个int，要么一个double，要么就一个地址，无论哪种情况，就1个寄存器就足够了（浮点型使用专门的st寄存器）

而如果是新的编译器需要处理这中语言，怎么做呢？在push参数之前，先push return value的address进去esp

例如

push a

push b

push parameter

在转跳函数里头，计算出参数a跟b的地址，之后把返回之存储到a跟b里头。就可以了。或者用eax，ebx之类的构造一个stack（这个我不大清楚是否可以，不过按照esp的思路，逻辑上应该是行得通的。）

希望对大家有用。