计算机科学基础知识(六)理解栈帧

一、前言

本文以一个简单的例子来描述ARM linux下的stack frame。

本文也是对tigger网友问题的回复。

 

二、源代码

#include <stdio.h>

static int static_interface_leaf( int x, int y )
{
    int tmp0 = 0x12;
    int tmp1 = 0x34;
    int tmp2 = 0x56;

    tmp0 = x;
    tmp1 = y;

    return (tmp0+tmp1+tmp2);
}

int public_interface_leaf( int x, int y )
{
    int tmp0 = 0x12;
    int tmp1 = 0x34;
    int tmp2 = 0x56;

    tmp0 = x;
    tmp1 = y;

    return (tmp0+tmp1+tmp2);
}

void public_interface( int x )
{
    int tmp0 = 0x12;
    int tmp1 = 0x34;

    tmp0 = x;
    public_interface_leaf( tmp0, tmp1 );
    static_interface_leaf( tmp0, tmp1 );
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int tmp0 = 0x12;

    public_interface( tmp0 );

    return 0;
}

 

三、逐级stack frame分析

1、准备知识

根据AAPCS的描述，stack是full-descending并且需要满足两种约束：一种是通用约束，适用所有的场景，另外一种是针对public interface的约束。通用约束有3条：

（1）SP只能访问stack base和stack limit之间的memory，即Stack-limit < SP <= stack-base

（2）SP必须对齐在4个字节上，即SP mod 4 = 0

（3）函数只能访问自己能回溯的那些栈帧。例如f1调用f2，而f2函数又调用了f3，那么f3是可以访问自己的stack以及f2和f1的stack，也就是说，函数可以访问[SP, stack-base – 1]之间的内容

对public interface的约束多了一条，就是SP必须对齐在8个字节上，即SP mod 8 = 0

关于ARM的ABI，还有一份文档，IHI0046B_ABI_Advisory_1，这份文件中讲到，在调用所有的AAPCS兼容的函数的时候都要求SP是对齐在8个字节上。

2、起始点的用户栈的情况

在静态链接文档中，我们说过，函数的入口函数不是main函数而是_start函数，调用序列是_start()->__libc_start_main()->main()。main函数之前对于所有的程序都是一样的，因此不需要每一个程序员都重复进行那些动作，因此留给程序员一个main函数的入口，开始自己相关逻辑的处理。内核在start函数（我在这里以及后面的文档中省略了下划线）之前的stack frame并不是空的，内核会创建一些资料在stack上，具体如下：

具体怎么在用户栈上建立上面的数据结构，有兴趣的同学可以参考内核的create_elf_tables函数。此外，需要提醒的是这些数据内容虽然在栈上，但是不是stack frame的一部分，有点类似内核空间到用户空间参数传递的味道。为何这么说呢？因为在start函数中有一条汇编指令：mov    fp, #0，该指令清除frame pointer，在debugger做栈的回溯的时候，当fp等于0的时候也就意味着到了最外层函数。

3、start函数的start frame

0000829c <_start>:
    829c:    e59fc024     ldr    ip, [pc, #36]    ; 82c8 <.text+0x2c>
    82a0:    e3a0b000     mov    fp, #0    ; 0x0－－－－－－－－最外层函数，清除frame pointer
    82a4:    e49d1004     ldr    r1, [sp], #4－－－－－－－－－－r1 = argc, sp=sp+4，sp指向了argv[]
    82a8:    e1a0200d     mov    r2, sp－－－－－－－－－－r2保存了stack end，也就是argv[]那个位置
    82ac:    e52d2004     str    r2, [sp, #-4]!－－－－－－－－将stack end压入栈
    82b0:    e52d0004     str    r0, [sp, #-4]!－－－－－－－－将rtld_fini压入栈
    82b4:    e59f0010     ldr    r0, [pc, #16]    ; 82cc <.text+0x30>
    82b8:    e59f3010     ldr    r3, [pc, #16]    ; 82d0 <.text+0x34>
    82bc:    e52dc004     str    ip, [sp, #-4]!－－－－－－－－将fini压入栈
    82c0:    ebffffef     bl    8284 <.text-0x18>－－－－－－－call __libc_start_main
    82c4:    ebffffeb     bl    8278 <.text-0x24>
    82c8:    0000848c     .word    0x0000848c
    82cc:    00008454     .word    0x00008454
    82d0:    00008490     .word    0x00008490

在调用__libc_start_main函数之前，stack frame的情况如下：

大家可以对照上面的汇编和图片，我这里只是描述基本知识点：

1、stack的确是full-descending的，SP指向了start函数的顶部，下一个函数必须先减SP，才能保存其栈上的数据。

2、内核到用户空间当然是public interface，因此在进入start函数的时候SP当前是8字节对齐。而start函数的栈有3个变量共计12个字节，在调用__libc_start_main函数这个public interface的时候当然也要8字节对齐，按理说这里start函数有一个小小的4字节的空洞，但实际上，代码是抹去了用户栈的argc这个参数，因此start的栈的细节如下：

虽然抹去了用户栈的argc这个参数，不过没有关系，反正它已经保存在了r1寄存器中了。

4、__libc_start_main函数的stack frame

__libc_start_main是libc定义的符号，我们动态链接的时候，这些代码没有进入我们测试的ELF文件。这里略过吧，毕竟查阅c库代码也是非常烦人的事情。

5、main函数的stack frame

00008454

:
    8454:    e92d4800     stmdb    sp!, {fp, lr}－－－将上一个函数的 fp和lr寄存器压入stack, sp=sp-8
    8458:    e28db004     add    fp, sp, #4    ; －－－上一个函数的sp＋4就是本函数stack frame的开始
    845c:    e24dd010     sub    sp, sp, #16    ; 0x10
    8460:    e1a03000     mov    r3, r0
    8464:    e50b1014     str    r1, [fp, #-20]－－－－－－保存argv
    8468:    e54b300d     str    r3, [fp, #-16]－－－－－－保存argc
    846c:    e3a03012     mov    r3, #18    ; 0x12－－－tmp0 = 0x12，[fp, #-8]就是源代码的tmp0
    8470:    e50b3008     str    r3, [fp, #-8]
    8474:    e51b0008     ldr    r0, [fp, #-8]－－－－－传递tmp0参数
    8478:    ebffffe3     bl    840c
    847c:    e3a03000     mov    r3, #0    ; 0x0
    8480:    e1a00003     mov    r0, r3
    8484:    e24bd004     sub    sp, fp, #4    ; 0x4
    8488:    e8bd8800     ldmia    sp!, {fp, pc}

在调用public_interface之前，main函数的stack frame如下：

对照代码和图片，我们有下面的解释：

（1）第一条指令就是stmdb，这里db就是decrease before的意思，再次确认stack的确是full-descending的

（2）虽然只有一个临时变量tmp0，但是编译器还是传递了argc和argv这两个参数，具体为何我也没有考虑清楚，因此在分配main的stack frame的时候使用了sub    sp, sp, #16，分配4个int型数据，当然是为了对齐8字节。

（3）在一个函数的执行过程中，sp和fp之间就是该函数的stack frame。sp执行stack frame的顶部（低地址），fp执行顶部。

（4）由于main函数的fp加4就是__libc_start_main的sp，因此在main函数的stack上不需要保存其sp，只要保存fp就OK了。

6、public_interface的stack frame

0000840c :
    840c:    e92d4800     stmdb    sp!, {fp, lr}
    8410:    e28db004     add    fp, sp, #4    ; 0x4
    8414:    e24dd010     sub    sp, sp, #16    ; 0x10
    8418:    e50b0010     str    r0, [fp, #-16]－－－－－－－－－中间变量，保存传入的x参数
    841c:    e3a03012     mov    r3, #18    ; 0x12
    8420:    e50b300c     str    r3, [fp, #-12]－－－－－－－－－tmp0 = 0x12
    8424:    e3a03034     mov    r3, #52    ; 0x34
    8428:    e50b3008     str    r3, [fp, #-8]－－－－－－－－－－tmp1 = 0x34
    842c:    e51b3010     ldr    r3, [fp, #-16]
    8430:    e50b300c     str    r3, [fp, #-12]－－－－－－－－－tmp0 = x
    8434:    e51b000c     ldr    r0, [fp, #-12]
    8438:    e51b1008     ldr    r1, [fp, #-8]
    843c:    ebffffda     bl    83ac
    8440:    e51b000c     ldr    r0, [fp, #-12]
    8444:    e51b1008     ldr    r1, [fp, #-8]
    8448:    ebffffbf     bl    834c
    844c:    e24bd004     sub    sp, fp, #4    ; 0x4
    8450:    e8bd8800     ldmia    sp!, {fp, pc}

栈帧情况如下：

这里比较简单，大家自行分析就OK了。

 

7、调用static函数

根据AAPCS的描述，只有public接口才需要SP 8字节对齐。不过测试程序表明所有的都是8字节对齐的，我的编译器关于ABI的缺省设定是-mabi=aapcs-linux，猜想可能是所有的函数都被编译成AAPCS-comforming fuction。具体大家可以自己写代码练习一下。

 

参考文献

1、AAPCS。Procedure Call Standard for the ARM Architecture

2、IHI0046B_ABI_Advisory_1。ABI for the ARM Architecture Advisory Note – SP must be 8-byte aligned on entry to AAPCS-conforming functions