用gdb观察函数调用过程中栈上的那些事儿

转载自 http://www.kgdb.info/gdb/using_gdb_to_inside_function_call_stack/

“参数从右到左入栈”，“局部变量在栈上分配空间”，听的耳朵都起茧子了。
最近做项目涉及C和汇编互相调用，写代码的时候才发现没真正弄明白。
自己写了个最简单的函数，用gdb跟踪了调用过程，才多少懂了一点。

参考资料：（感谢liigo和eno_rez两位作者）

http://blog.csdn.net/liigo/archive/2006/12/23/1456938.aspx

http://blog.csdn.net/eno_rez/archive/2008/03/08/2158682.aspx

1. int add(int x, int y)
2. {
3.     int a = 0;
4.     a = x;
5.     a += y;
6.     return a;
7. }
8. int main(int argc, char *argv[])
9. {
10.     int x, y, result;
11.     x = 0×12;
12.     y = 0×34;
13.     result = add(x, y);
14.     return 0;
15. }

编译：(Fedora6, gcc 4.1.2)
[test]$ gcc -g -Wall -o stack stack.c

反汇编：
这里的汇编的格式是AT&T汇编，它的格式和我们熟悉的汇编格式不太一样，尤其要注意源操作数和目的操作数的顺序是反过来的
[test]$ objdump -d stack > stack.dump
[test]$ cat stack.dump

……
08048354 <add>:
 8048354:       55                      push   %ebp  ;保存调用者的帧指针
 8048355:       89 e5                   mov    %esp,%ebp  ;把当前的栈指针作为本函数的帧指针
 8048357:       83 ec 10                sub    $0×10,%esp  ;调整栈指针，为局部变量保留空间
 804835a:       c7 45 fc 00 00 00 00    movl   $0×0,0xfffffffc(%ebp)  ;把a置0。ebp-4的位置是第一个局部变量
 8048361:       8b 45 08                mov    0×8(%ebp),%eax  ;把参数x保存到eax。ebp+8的位置是最后一个入栈的参数，也就是第一个参数
 8048364:       89 45 fc                mov    %eax,0xfffffffc(%ebp)  ;把eax赋值给变量a
 8048367:       8b 45 0c                mov    0xc(%ebp),%eax  ;把参数y保存到eax。ebp+C的位置是倒数第二个入栈的参数，也就是第二个参数
 804836a:       01 45 fc                add    %eax,0xfffffffc(%ebp)  ;a+=y
 804836d:       8b 45 fc                mov    0xfffffffc(%ebp),%eax  ;把a的值作为返回值，保存到eax
 8048370:       c9                      leave 
 8048371:       c3                      ret   

08048372 <main>:
 8048372:       8d 4c 24 04             lea    0×4(%esp),%ecx  ;？？？？
 8048376:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp  ;把栈指针16字节对齐
 8048379:       ff 71 fc                pushl  0xfffffffc(%ecx)  ;？？？？
 804837c:       55                      push   %ebp  ;保存调用者的帧指针
 804837d:       89 e5                   mov    %esp,%ebp  ;把当前的栈指针作为本函数的帧指针
 804837f:       51                      push   %ecx  ;？？？？
 8048380:       83 ec 18                sub    $0×18,%esp  ;调整栈指针，为局部变量保留空间
 8048383:       c7 45 f0 12 00 00 00    movl   $0×12,0xfffffff0(%ebp)  ;x=0×12。ebp-16是局部变量x
 804838a:       c7 45 f4 34 00 00 00    movl   $0×34,0xfffffff4(%ebp)  ;y=0×34。ebp-12是局部变量y
 8048391:       8b 45 f4                mov    0xfffffff4(%ebp),%eax  ;y保存到eax
 8048394:       89 44 24 04             mov    %eax,0×4(%esp)  ;y作为最右边的参数首先入栈
 8048398:       8b 45 f0                mov    0xfffffff0(%ebp),%eax  ;x保存到eax
 804839b:       89 04 24                mov    %eax,(%esp)  ;x第二个入栈
 804839e:       e8 b1 ff ff ff          call   8048354 <add>  ;调用add
 80483a3:       89 45 f8                mov    %eax,0xfffffff8(%ebp)  ;把保存在eax的add的返回值，赋值给位于ebp-8的第三个局部变量result。注意这条指令的地址，就是add的返回地址
 80483a6:       b8 00 00 00 00          mov    $0×0,%eax  ;0作为main的返回值，保存到eax
 80483ab:       83 c4 18                add    $0×18,%esp  ;恢复栈指针，也就是讨论stdcall和cdecl的时候总要提到的“调用者清栈”
 80483ae:       59                      pop    %ecx  ;
 80483af:       5d                      pop    %ebp  ;
 80483b0:       8d 61 fc                lea    0xfffffffc(%ecx),%esp  ;
 80483b3:       c3                      ret   
 80483b4:       90                      nop   
……

有一点值得注意的是main在调用add之前把参数压栈的过程。
它用的不是push指令，而是另一种方法。
在main入口调整栈指针的时候，也就是位于8048380的这条指令 sub $0×18,%esp
不但象通常函数都要做的那样给局部变量预留了空间，还顺便把调用add的两个参数的空间也预留出来了。
然后把参数压栈的时候，用的是mov指令。
我不太明白这种方法有什么好处。
另外一个不明白的就是main入口的四条指令8048372、8048376、8048379、804837f，还有与之对应的main返回之前的指令。
貌似main对esp要求16字节对齐，所以先把原来的esp压栈，然后强行把esp的低4位清0。等到返回之前再从栈里恢复原来的esp

准备工作都做好了，现在开始gdb
对gdb不太熟悉的同学要注意一点，stepi命令执行之后显示出来的源代码行或者指令地址，都是即将执行的指令，而不是刚刚执行完的指令。
我在每个stepi后面都加了注释，就是刚执行过的指令。

[test]$ gdb -q stack
(gdb) break main
Breakpoint 1 at 0×8048383: file stack.c, line 11.
gdb并没有把断点设置在main的第一条指令，而是设置在了调整栈指针为局部变量保留空间之后

(gdb) run
Starting program: /home/brookmill/test/stack
Breakpoint 1, main () at stack.c:11
11              x = 0×12;
(gdb) stepi    // 注释： movl   $0×12,0xfffffff0(%ebp)
12              y = 0×34;
(gdb) stepi    // 注释： movl   $0×34,0xfffffff4(%ebp)
13              result = add(x, y);
(gdb) info registers esp
esp            0xbf8df8ac       0xbf8df8ac
(gdb) info registers ebp
ebp            0xbf8df8c8       0xbf8df8c8
(gdb) x/12 0xbf8df8a0
0xbf8df8a0:     0×002daff4      0×002d9220      0xbf8df8d8      0×080483e9
0xbf8df8b0:     0×001ca8d5      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec

这就是传说中的栈。在main准备调用add之前，先看看这里有些什么东东
0xbf8df8c8(ebp)保存的是上一层函数的帧指针：0xbf8df938，距离这里有112字节
0xbf8df8cc(ebp+4)保存的是main的返回地址0×001b4dec
0xbf8df8b8(ebp-16)是局部变量x，已经赋值0×12;
0xbf8df8bc(ebp-12)是局部变量y，已经赋值0×34;
0xbf8df8c0(ebp-8)是局部变量result。值得注意的是，因为我们没有给result赋值，这里是一个不确定的值。局部变量如果不显式的初始化，初始值不一定是0。

现在开始调用add
(gdb) stepi    // 注释： mov    0xfffffff4(%ebp),%eax
0×08048394      13              result = add(x, y);
(gdb) stepi    // 注释： mov    %eax,0×4(%esp)
0×08048398      13              result = add(x, y);
(gdb) x/12 0xbf8df8a0
0xbf8df8a0:     0×002daff4      0×002d9220      0xbf8df8d8      0×080483e9
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
y首先被压栈，在0xbf8df8b0

(gdb) stepi    // 注释： mov    0xfffffff0(%ebp),%eax
0×0804839b      13              result = add(x, y);
(gdb) stepi    // 注释： mov    %eax,(%esp)
0×0804839e      13              result = add(x, y);
(gdb) x/12 0xbf8df8a0
0xbf8df8a0:     0×002daff4      0×002d9220      0xbf8df8d8      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
x第二个进栈，在0xbf8df8ac

(gdb) stepi    // 注释： call   8048354 <add>
add (x=18, y=52) at stack.c:2
2       {

刚刚执行了call指令，现在我们进入了add函数
(gdb) info registers esp
esp            0xbf8df8a8       0xbf8df8a8
(gdb) info registers ebp
ebp            0xbf8df8c8       0xbf8df8c8
(gdb) x/12 0xbf8df8a0
0xbf8df8a0:     0×002daff4      0×002d9220      0×080483a3      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
现在esp指向0xbf8df8a8，这里保存的是add函数的返回地址，它是由call指令压栈的。

(gdb) stepi    // 注释： push   %ebp
0×08048355      2       {
(gdb) stepi    // 注释： mov    %esp,%ebp
0×08048357      2       {
(gdb) stepi    // 注释： sub    $0×10,%esp
3               int a = 0;
(gdb) info registers esp
esp            0xbf8df894       0xbf8df894
(gdb) info registers ebp
ebp            0xbf8df8a4       0xbf8df8a4
(gdb) x/16 0xbf8df890
0xbf8df890:     0×00000000      0×08049574      0xbf8df8a8      0×08048245
0xbf8df8a0:     0×002daff4      0xbf8df8c8      0×080483a3      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
刚刚执行完的3条指令是函数入口的定式。
现在我们可以看到，main的栈还是原样，向下增长之后就是add的栈。
0xbf8df8a4(ebp)保存的是上层函数main的帧指针
0xbf8df8a8(ebp+4)保存的是返回地址
0xbf8df8ac(ebp+8)保存的是最后一个入栈的参数x
0xbf8df8b0(ebp+C)保存的是倒数第二个入栈的参数y
0xbf8df8a0(ebp-4)保存的是局部变量a，现在是一个不确定值

接下来add函数就真正开始干活了
(gdb) stepi    // 注释： movl   $0×0,0xfffffffc(%ebp)
4               a = x;
(gdb) x/16 0xbf8df890
0xbf8df890:     0×00000000      0×08049574      0xbf8df8a8      0×08048245
0xbf8df8a0:     0×00000000      0xbf8df8c8      0×080483a3      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
可以看到a被置0了

(gdb) stepi    // 注释： mov    0×8(%ebp),%eax
0×08048364      4               a = x;
(gdb) stepi    // 注释： mov    %eax,0xfffffffc(%ebp)
5               a += y;
(gdb) x/16 0xbf8df890
0xbf8df890:     0×00000000      0×08049574      0xbf8df8a8      0×08048245
0xbf8df8a0:     0×00000012      0xbf8df8c8      0×080483a3      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
参数x(ebp+8)的值通过eax赋值给了局部变量a(ebp-4)

(gdb) stepi    // 注释： mov    0xc(%ebp),%eax
0×0804836a      5               a += y;
(gdb) stepi    // 注释： add    %eax,0xfffffffc(%ebp)
6               return a;
(gdb) x/16 0xbf8df890
0xbf8df890:     0×00000000      0×08049574      0xbf8df8a8      0×08048245
0xbf8df8a0:     0×00000046      0xbf8df8c8      0×080483a3      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
参数y(ebp+C)的值通过eax加到了局部变量a(ebp-4)

现在要从add返回了。返回之前把局部变量a(ebp-4)保存到eax用作返回值
(gdb) stepi    // 注释： mov    0xfffffffc(%ebp),%eax
7       }
(gdb) stepi    // 注释： leave
0×08048371 in add (x=1686688, y=134513616) at stack.c:7
7       }
(gdb) stepi    // 注释： ret
0×080483a3 in main () at stack.c:13
13              result = add(x, y);

现在我们回到了main，栈现在是这样的
(gdb) info registers esp
esp            0xbf8df8ac       0xbf8df8ac
(gdb) info registers ebp
ebp            0xbf8df8c8       0xbf8df8c8
(gdb) x/16 0xbf8df890
0xbf8df890:     0×00000000      0×08049574      0xbf8df8a8      0×08048245
0xbf8df8a0:     0×00000046      0xbf8df8c8      0×080483a3      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×001903d0      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
可以看到，esp和ebp都已经恢复到了调用add之前的值。
但是，调用add的两个参数还在栈里(0xbf8df8ac、0xbf8df8b0，都在esp以上)。
也就是说，被调用的函数add没有把它们从栈上清出去，需要调用方main来清理。这就是著名的“调用者清栈”，cdecl调用方式的特点之一。

(gdb) stepi    // 注释： mov    %eax,0xfffffff8(%ebp)
14              return 0;
(gdb) x/16 0xbf8df890
0xbf8df890:     0×00000000      0×08049574      0xbf8df8a8      0×08048245
0xbf8df8a0:     0×00000046      0xbf8df8c8      0×080483a3      0×00000012
0xbf8df8b0:     0×00000034      0xbf8df96c      0×00000012      0×00000034
0xbf8df8c0:     0×00000046      0xbf8df8e0      0xbf8df938      0×001b4dec
从eax得到函数add的返回值，赋值给了局部变量result(ebp-8)

(gdb) stepi    // 注释： mov    $0×0,%eax ;把eax置0作为main的返回值
15      }
(gdb) stepi    // 注释： add    $0×18,%esp ; 调用者清栈
0×080483ae      15      }
(gdb) continue
Continuing.
Program exited normally.
(gdb) quit
[test]$