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關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào),直達(dá)精彩內(nèi)容



來(lái)源:輕松學(xué)編程


地址:https://segmentfault.com/a/1190000038292644



前言



我們經(jīng)常會(huì)討論這樣的問(wèn)題:什么時(shí)候數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在堆棧(Stack)中,什么時(shí)候數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在堆(Heap)中。我們知道,局部變量是存儲(chǔ)在堆棧中的;debug時(shí),查看堆棧可以知道函數(shù)的調(diào)用順序;函數(shù)調(diào)用時(shí)傳遞參數(shù),事實(shí)上是把參數(shù)壓入堆棧,聽(tīng)起來(lái),堆棧象一個(gè)大雜燴。那么,堆棧(Stack)到底是如何工作的呢?本文將詳解C/C 堆棧的工作機(jī)制。閱讀時(shí)請(qǐng)注意以下幾點(diǎn):




1)本文討論的編譯環(huán)境是 Visual C/C ,由于高級(jí)語(yǔ)言的堆棧工作機(jī)制大致相同,因此對(duì)其他編譯環(huán)境或高級(jí)語(yǔ)言如C#也有意義。




2)本文討論的堆棧,是指程序?yàn)槊總€(gè)線程分配的默認(rèn)堆棧,用以支持程序的運(yùn)行,而不是指程序員為了實(shí)現(xiàn)算法而自己定義的堆棧。




3)  本文討論的平臺(tái)為intel x86。




4)本文的主要部分將盡量避免涉及到匯編的知識(shí),在本文最后可選章節(jié),給出前面章節(jié)的反編譯代碼和注釋。




5)結(jié)構(gòu)化異常處理也是通過(guò)堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)的(當(dāng)你使用try…catch語(yǔ)句時(shí),使用的就是c 對(duì)windows結(jié)構(gòu)化異常處理的擴(kuò)展),但是關(guān)于結(jié)構(gòu)化異常處理的主題太復(fù)雜了,本文將不會(huì)涉及到。



從一些基本的知識(shí)和概念開(kāi)始



1) 程序的堆棧是由處理器直接支持的。在intel x86的系統(tǒng)中,堆棧在內(nèi)存中是從高地址向低地址擴(kuò)展(這和自定義的堆棧從低地址向高地址擴(kuò)展不同),如下圖所示:



因此,棧頂?shù)刂肥遣粩鄿p小的,越后入棧的數(shù)據(jù),所處的地址也就越低。




2) 在32位系統(tǒng)中,堆棧每個(gè)數(shù)據(jù)單元的大小為4字節(jié)。小于等于4字節(jié)的數(shù)據(jù),比如字節(jié)、字、雙字和布爾型,在堆棧中都是占4個(gè)字節(jié)的;大于4字節(jié)的數(shù)據(jù)在堆棧中占4字節(jié)整數(shù)倍的空間。




3) 和堆棧的操作相關(guān)的兩個(gè)寄存器是EBP寄存器和ESP寄存器的,本文中,你只需要把EBP和ESP理解成2個(gè)指針就可以了。ESP寄存器總是指向堆棧的棧頂,執(zhí)行PUSH命令向堆棧壓入數(shù)據(jù)時(shí),ESP減4,然后把數(shù)據(jù)拷貝到ESP指向的地址;執(zhí)行POP命令時(shí),首先把ESP指向的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存地址/寄存器中,然后ESP加4。EBP寄存器是用于訪問(wèn)堆棧中的數(shù)據(jù)的,它指向堆棧中間的某個(gè)位置(具體位置后文會(huì)具體講解),函數(shù)的參數(shù)地址比EBP的值高,而函數(shù)的局部變量地址比EBP的值低,因此參數(shù)或局部變量總是通過(guò)EBP加減一定的偏移地址來(lái)訪問(wèn)的,比如,要訪問(wèn)函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)為EBP 8。




4) 堆棧中到底存儲(chǔ)了什么數(shù)據(jù)?包括了:函數(shù)的參數(shù),函數(shù)的局部變量,寄存器的值(用以恢復(fù)寄存器),函數(shù)的返回地址以及用于結(jié)構(gòu)化異常處理的數(shù)據(jù)(當(dāng)函數(shù)中有try…catch語(yǔ)句時(shí)才有,本文不討論)。這些數(shù)據(jù)是按照一定的順序組織在一起的,我們稱之為一個(gè)堆棧幀(Stack Frame)。一個(gè)堆棧幀對(duì)應(yīng)一次函數(shù)的調(diào)用。在函數(shù)開(kāi)始時(shí),對(duì)應(yīng)的堆棧幀已經(jīng)完整地建立了(所有的局部變量在函數(shù)幀建立時(shí)就已經(jīng)分配好空間了,而不是隨著函數(shù)的執(zhí)行而不斷創(chuàng)建和銷毀的);在函數(shù)退出時(shí),整個(gè)函數(shù)幀將被銷毀。




5) 在文中,我們把函數(shù)的調(diào)用者稱為caller(調(diào)用者),被調(diào)用的函數(shù)稱為callee(被調(diào)用者)。之所以引入這個(gè)概念,是因?yàn)橐粋€(gè)函數(shù)幀的建立和清理,有些工作是由Caller完成的,有些則是由Callee完成的。




開(kāi)始討論堆棧是如何工作的



我們來(lái)討論堆棧的工作機(jī)制。堆棧是用來(lái)支持函數(shù)的調(diào)用和執(zhí)行的,因此,我們下面將通過(guò)一組函數(shù)調(diào)用的例子來(lái)講解,看下面的代碼:


int foo1(int m, int n){ int p=m*n; return p;}int foo(int a, int b){ int c=a 1; int d=b 1; int e=foo1(c,d); return e;}int main(){ int result=foo(3,4); return 0;} 這段代碼本身并沒(méi)有實(shí)際的意義,我們只是用它來(lái)跟蹤堆棧。下面的章節(jié)我們來(lái)跟蹤堆棧的建立,堆棧的使用和堆棧的銷毀。




堆棧的建立



我們從main函數(shù)執(zhí)行的第一行代碼,即int result=foo(3,4); 開(kāi)始跟蹤。這時(shí)main以及之前的函數(shù)對(duì)應(yīng)的堆棧幀已經(jīng)存在在堆棧中了,如下圖所示:



圖1



參數(shù)入棧


當(dāng)foo函數(shù)被調(diào)用,首先,caller(此時(shí)caller為main函數(shù))把foo函數(shù)的兩個(gè)參數(shù):a=3,b=4壓入堆棧。參數(shù)入棧的順序是由函數(shù)的調(diào)用約定(Calling Convention)決定的,我們將在后面一個(gè)專門的章節(jié)來(lái)講解調(diào)用約定。一般來(lái)說(shuō),參數(shù)都是從右往左入棧的,因此,b=4先壓入堆棧,a=3后壓入,如圖:



圖2



返回地址入棧



我們知道,當(dāng)函數(shù)結(jié)束時(shí),代碼要返回到上一層函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行,那么,函數(shù)如何知道該返回到哪個(gè)函數(shù)的什么位置執(zhí)行呢?函數(shù)被調(diào)用時(shí),會(huì)自動(dòng)把下一條指令的地址壓入堆棧,函數(shù)結(jié)束時(shí),從堆棧讀取這個(gè)地址,就可以跳轉(zhuǎn)到該指令執(zhí)行了。如果當(dāng)前"call foo"指令的地址是0x00171482,由于call指令占5個(gè)字節(jié),那么下一個(gè)指令的地址為0x00171487,0x00171487將被壓入堆棧:



圖3


代碼跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行


返回地址入棧后,代碼跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用函數(shù)foo中執(zhí)行。到目前為止,堆棧幀的前一部分,是由caller構(gòu)建的;而在此之后,堆棧幀的其他部分是由callee來(lái)構(gòu)建。



EBP指針入棧



在foo函數(shù)中,首先將EBP寄存器的值壓入堆棧。因?yàn)榇藭r(shí)EBP寄存器的值還是用于main函數(shù)的,用來(lái)訪問(wèn)main函數(shù)的參數(shù)和局部變量的,因此需要將它暫存在堆棧中,在foo函數(shù)退出時(shí)恢復(fù)。同時(shí),給EBP賦于新值。




1)將EBP壓入堆棧




2)把ESP的值賦給EBP



圖4



這樣一來(lái),我們很容易發(fā)現(xiàn)當(dāng)前EBP寄存器指向的堆棧地址就是EBP先前值的地址,你還會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn),EBP 4的地址就是函數(shù)返回值的地址,EBP 8就是函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)的地址(第一個(gè)參數(shù)地址并不一定是EBP 8,后文中將講到)。因此,通過(guò)EBP很容易查找函數(shù)是被誰(shuí)調(diào)用的或者訪問(wèn)函數(shù)的參數(shù)(或局部變量)。



為局部變量分配地址


接著,foo函數(shù)將為局部變量分配地址。程序并不是將局部變量一個(gè)個(gè)壓入堆棧的,而是將ESP減去某個(gè)值,直接為所有的局部變量分配空間,比如在foo函數(shù)中有ESP=ESP-0x00E4,(根據(jù)燭秋兄在其他編譯環(huán)境上的測(cè)試,也可能使用push命令分配地址,本質(zhì)上并沒(méi)有差別,特此說(shuō)明)如圖所示:



圖5



奇怪的是,在debug模式下,編譯器為局部變量分配的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需,而且局部變量之間的地址不是連續(xù)的(據(jù)我觀察,總是間隔8個(gè)字節(jié))如下圖所示:



圖6


我還不知道編譯器為什么這么設(shè)計(jì),或許是為了在堆棧中插入調(diào)試數(shù)據(jù),不過(guò)這無(wú)礙我們今天的討論。



通用寄存器入棧


最后,將函數(shù)中使用到的通用寄存器入棧,暫存起來(lái),以便函數(shù)結(jié)束時(shí)恢復(fù)。在foo函數(shù)中用到的通用寄存器是EBX,ESI,EDI,將它們壓入堆棧,如圖所示:



圖7



至此,一個(gè)完整的堆棧幀建立起來(lái)了。



堆棧特性分析


上一節(jié)中,一個(gè)完整的堆棧幀已經(jīng)建立起來(lái),現(xiàn)在函數(shù)可以開(kāi)始正式執(zhí)行代碼了。本節(jié)我們對(duì)堆棧的特性進(jìn)行分析,有助于了解函數(shù)與堆棧幀的依賴關(guān)系。




1)一個(gè)完整的堆棧幀建立起來(lái)后,在函數(shù)執(zhí)行的整個(gè)生命周期中,它的結(jié)構(gòu)和大小都是保持不變的;不論函數(shù)在什么時(shí)候被誰(shuí)調(diào)用,它對(duì)應(yīng)的堆棧幀的結(jié)構(gòu)也是一定的。




2)在A函數(shù)中調(diào)用B函數(shù),對(duì)應(yīng)的,是在A函數(shù)對(duì)應(yīng)的堆棧幀“下方”建立B函數(shù)的堆棧幀。例如在foo函數(shù)中調(diào)用foo1函數(shù),foo1函數(shù)的堆棧幀將在foo函數(shù)的堆棧幀下方建立。如下圖所示:



圖8



3)函數(shù)用EBP寄存器來(lái)訪問(wèn)參數(shù)和局部變量。我們知道,參數(shù)的地址總是比EBP的值高,而局部變量的地址總是比EBP的值低。而在特定的堆棧幀中,每個(gè)參數(shù)或局部變量相對(duì)于EBP的地址偏移總是固定的。因此函數(shù)對(duì)參數(shù)和局部變量的的訪問(wèn)是通過(guò)EBP加上某個(gè)偏移量來(lái)訪問(wèn)的。比如,在foo函數(shù)中,EBP 8為第一個(gè)參數(shù)的地址,EBP-8為第一個(gè)局部變量的地址。




4)如果仔細(xì)思考,我們很容易發(fā)現(xiàn)EBP寄存器還有一個(gè)非常重要的特性,請(qǐng)看下圖中:



圖9



我們發(fā)現(xiàn),EBP寄存器總是指向先前的EBP,而先前的EBP又指向先前的先前的EBP,這樣就在堆棧中形成了一個(gè)鏈表!這個(gè)特性有什么用呢,我們知道EBP 4地址存儲(chǔ)了函數(shù)的返回地址,通過(guò)該地址我們可以知道當(dāng)前函數(shù)的上一級(jí)函數(shù)(通過(guò)在符號(hào)文件中查找距該函數(shù)返回地址最近的函數(shù)地址,該函數(shù)即當(dāng)前函數(shù)的上一級(jí)函數(shù)),以此類推,我們就可以知道當(dāng)前線程整個(gè)的函數(shù)調(diào)用順序。事實(shí)上,調(diào)試器正是這么做的,這也就是為什么調(diào)試時(shí)我們查看函數(shù)調(diào)用順序時(shí)總是說(shuō)“查看堆?!绷恕?/span>



返回值是如何傳遞的



堆棧幀建立起后,函數(shù)的代碼真正地開(kāi)始執(zhí)行,它會(huì)操作堆棧中的參數(shù),操作堆棧中的局部變量,甚至在堆(Heap)上創(chuàng)建對(duì)象,balabala….,終于函數(shù)完成了它的工作,有些函數(shù)需要將結(jié)果返回給它的上一層函數(shù),這是怎么做的呢?



首先,caller和callee在這個(gè)問(wèn)題上要有一個(gè)“約定”,由于caller是不知道callee內(nèi)部是如何執(zhí)行的,因此caller需要從callee的函數(shù)聲明就可以知道應(yīng)該從什么地方取得返回值。同樣的,callee不能隨便把返回值放在某個(gè)寄存器或者內(nèi)存中而指望Caller能夠正確地獲得的,它應(yīng)該根據(jù)函數(shù)的聲明,按照“約定”把返回值放在正確的”地方“。下面我們來(lái)講解這個(gè)“約定”:



1)首先,如果返回值等于4字節(jié),函數(shù)將把返回值賦予EAX寄存器,通過(guò)EAX寄存器返回。例如返回值是字節(jié)、字、雙字、布爾型、指針等類型,都通過(guò)EAX寄存器返回。




2)如果返回值等于8字節(jié),函數(shù)將把返回值賦予EAX和EDX寄存器,通過(guò)EAX和EDX寄存器返回,EDX存儲(chǔ)高位4字節(jié),EAX存儲(chǔ)低位4字節(jié)。例如返回值類型為_(kāi)_int64或者8字節(jié)的結(jié)構(gòu)體通過(guò)EAX和EDX返回。




3)  如果返回值為double或float型,函數(shù)將把返回值賦予浮點(diǎn)寄存器,通過(guò)浮點(diǎn)寄存器返回。




4)如果返回值是一個(gè)大于8字節(jié)的數(shù)據(jù),將如何傳遞返回值呢?這是一個(gè)比較麻煩的問(wèn)題,我們將詳細(xì)講解:



我們修改foo函數(shù)的定義如下并將它的代碼做適當(dāng)?shù)男薷模?/span>



MyStruct foo(`int a, int b)`{ ...} MyStruct定義為:



struct MyStruct{ int value1; __int64 value2; bool value3;}; 這時(shí),在調(diào)用foo函數(shù)時(shí)參數(shù)的入棧過(guò)程會(huì)有所不同,如下圖所示:



圖10



caller會(huì)在壓入最左邊的參數(shù)后,再壓入一個(gè)指針,我們姑且叫它ReturnValuePointer,ReturnValuePointer指向caller局部變量區(qū)的一塊未命名的地址,這塊地址將用來(lái)存儲(chǔ)callee的返回值。函數(shù)返回時(shí),callee把返回值拷貝到ReturnValuePointer指向的地址中,然后把ReturnValuePointer的地址賦予EAX寄存器。函數(shù)返回后,caller通過(guò)EAX寄存器找到ReturnValuePointer,然后通過(guò)ReturnValuePointer找到返回值,最后,caller把返回值拷貝到負(fù)責(zé)接收的局部變量上(如果接收返回值的話)。



你或許會(huì)有這樣的疑問(wèn),函數(shù)返回后,對(duì)應(yīng)的堆棧幀已經(jīng)被銷毀,而ReturnValuePointer是在該堆棧幀中,不也應(yīng)該被銷毀了嗎?對(duì)的,堆棧幀是被銷毀了,但是程序不會(huì)自動(dòng)清理其中的值,因此ReturnValuePointer中的值還是有效的。



堆棧幀的銷毀


當(dāng)函數(shù)將返回值賦予某些寄存器或者拷貝到堆棧的某個(gè)地方后,函數(shù)開(kāi)始清理堆棧幀,準(zhǔn)備退出。堆棧幀的清理順序和堆棧建立的順序剛好相反:(堆棧幀的銷毀過(guò)程就不一一畫圖說(shuō)明了)




1)如果有對(duì)象存儲(chǔ)在堆棧幀中,對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)會(huì)被函數(shù)調(diào)用。




2)從堆棧中彈出先前的通用寄存器的值,恢復(fù)通用寄存器。




3)ESP加上某個(gè)值,回收局部變量的地址空間(加上的值和堆棧幀建立時(shí)分配給局部變量的地址大小相同)。




4)從堆棧中彈出先前的EBP寄存器的值,恢復(fù)EBP寄存器。




5)從堆棧中彈出函數(shù)的返回地址,準(zhǔn)備跳轉(zhuǎn)到函數(shù)的返回地址處繼續(xù)執(zhí)行。




6)ESP加上某個(gè)值,回收所有的參數(shù)地址。




前面1-5條都是由callee完成的。而第6條,參數(shù)地址的回收,是由caller或者callee完成是由函數(shù)使用的調(diào)用約定(calling convention )來(lái)決定的。下面的小節(jié)我們就來(lái)講解函數(shù)的調(diào)用約定。




函數(shù)的調(diào)用約定(calling convention)



函數(shù)的調(diào)用約定(calling convention)指的是進(jìn)入函數(shù)時(shí),函數(shù)的參數(shù)是以什么順序壓入堆棧的,函數(shù)退出時(shí),又是由誰(shuí)(Caller還是Callee)來(lái)清理堆棧中的參數(shù)。有2個(gè)辦法可以指定函數(shù)使用的調(diào)用約定:




1)在函數(shù)定義時(shí)加上修飾符來(lái)指定,如



void __thiscall mymethod();{ ...}


2)在VS工程設(shè)置中為工程中定義的所有的函數(shù)指定默認(rèn)的調(diào)用約定:在工程的主菜單打開(kāi)Project|Project Property|Configuration Properties|C/C |Advanced|Calling Convention,選擇調(diào)用約定(注意:這種做法對(duì)類成員函數(shù)無(wú)效)。




常用的調(diào)用約定有以下3種:




1)__cdecl。這是VC編譯器默認(rèn)的調(diào)用約定。其規(guī)則是:參數(shù)從右向左壓入堆棧,函數(shù)退出時(shí)由caller清理堆棧中的參數(shù)。這種調(diào)用約定的特點(diǎn)是支持可變數(shù)量的參數(shù),比如printf方法。由于callee不知道caller到底將多少參數(shù)壓入堆棧,因此callee就沒(méi)有辦法自己清理堆棧,所以只有函數(shù)退出之后,由caller清理堆棧,因?yàn)閏aller總是知道自己傳入了多少參數(shù)。




2)__stdcall。所有的Windows API都使用__stdcall。其規(guī)則是:參數(shù)從右向左壓入堆棧,函數(shù)退出時(shí)由callee自己清理堆棧中的參數(shù)。由于參數(shù)是由callee自己清理的,所以__stdcall不支持可變數(shù)量的參數(shù)。




3) __thiscall。類成員函數(shù)默認(rèn)使用的調(diào)用約定。其規(guī)則是:參數(shù)從右向左壓入堆棧,x86構(gòu)架下this指針通過(guò)ECX寄存器傳遞,函數(shù)退出時(shí)由callee清理堆棧中的參數(shù),x86構(gòu)架下this指針通過(guò)ECX寄存器傳遞。同樣不支持可變數(shù)量的參數(shù)。如果顯式地把類成員函數(shù)聲明為使用__cdecl或者_(dá)_stdcall,那么,將采用__cdecl或者_(dá)_stdcall的規(guī)則來(lái)壓棧和出棧,而this指針將作為函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)最后壓入堆棧,而不是使用ECX寄存器來(lái)傳遞了。




反編譯代碼的跟蹤(不熟悉匯編可跳過(guò))



以下代碼為和foo函數(shù)對(duì)應(yīng)的堆棧幀建立相關(guān)的代碼的反編譯代碼,我將逐行給出注釋,可對(duì)照前文中對(duì)堆棧的描述:




main函數(shù)中 int result=foo(3,4); 的反匯編:



008A147E push 4 //b=4 壓入堆棧008A1480 push 3 //a=3 壓入堆棧,到達(dá)圖2的狀態(tài)008A1482 call foo (8A10F5h) //函數(shù)返回值入棧,轉(zhuǎn)入foo中執(zhí)行,到達(dá)圖3的狀態(tài)008A1487 add esp,8 //foo返回,由于采用__cdecl,由Caller清理參數(shù)008A148A mov dword ptr [result],eax //返回值保存在EAX中,把EAX賦予result變量 下面是foo函數(shù)代碼正式執(zhí)行前和執(zhí)行后的反匯編代碼


008A13F0 push ebp //把ebp壓入堆棧008A13F1 mov ebp,esp //ebp指向先前的ebp,到達(dá)圖4的狀態(tài)008A13F3 sub esp,0E4h //為局部變量分配0E4字節(jié)的空間,到達(dá)圖5的狀態(tài)008A13F9 push ebx //壓入EBX008A13FA push esi //壓入ESI008A13FB push edi //壓入EDI,到達(dá)圖7的狀態(tài)008A13FC lea edi,[ebp-0E4h] //以下4行把局部變量區(qū)初始化為每個(gè)字節(jié)都等于cch008A1402 mov ecx,39h008A1407 mov eax,0CCCCCCCCh008A140C rep stos dword ptr es:[edi]...... //省略代碼執(zhí)行N行......008A1436 pop edi //恢復(fù)EDI008A1437 pop esi //恢復(fù)ESI008A1438 pop ebx //恢復(fù)EBX008A1439 add esp,0E4h //回收局部變量地址空間008A143F cmp ebp,esp //以下3行為Runtime Checking,檢查ESP和EBP是否一致008A1441 call @ILT 330(__RTC_CheckEsp) (8A114Fh)008A1446 mov esp,ebp008A1448 pop ebp //恢復(fù)EBP008A1449 ret //彈出函數(shù)返回地址,跳轉(zhuǎn)到函數(shù)返回地址執(zhí)行 //(__cdecl調(diào)用約定,Callee未清理參數(shù))
參考


Debug Tutorial Part 2: The Stack




Intel匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(第四版) 第8章


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