C语言函数调用栈

C语言函数调用栈

栈溢出（stack overflow）是最常见的二进制漏洞，在介绍栈溢出之前，我们首先需要了解函数调用栈。

函数调用栈是一块连续的用来保存函数运行状态的内存区域，调用函数（caller）和被调用函数（callee）根据调用关系堆叠起来。栈在内存区域中从高地址向低地址生长。 每个函数在栈上都有自己的栈帧，用来存放局部变量、函数参数等信息。当caller调用callee时，callee对应的栈帧就会被开辟，当调用结束返回caller时，callee对应的栈帧就会被销毁。

下图展示了栈帧的结构。在32位程序中，寄存器ebp指向栈帧的底部，用来存储当前栈帧的基址，在函数运行过程中不变，可以用来索引函数参数和局部变量的位置。寄存器esp指向栈帧的顶部，当栈生长时，esp的值减少（向低地址生长）。寄存器eip用于存储下一条指令的地址。在64位程序中，三个寄存器分别为rbp、rsp和rip。

当函数调用发生时，首先需要保存caller的状态，以便函数调用结束后进行恢复，然后创建callee的状态。具体来说：

1. 如果是32位程序，将传给callee的参数按照逆序依次压入caller的栈帧中；如果是64位程序，前6个参数分别通过rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9进行传递，剩余参数从后向前压栈。如果callee不需要参数，则这一步骤省略。

对于64位程序，如果只有2个参数：

mov rsi, arg2
mov rdi, arg1

对于64位程序，如果有8个参数：

push arg8
push arg7
mov r9, arg6
mov r8, arg5
mov rcx, arg4
mov rdx, arg3
mov rsi, arg2
mov rdi, arg1

2. 将caller调用callee后的下一条指令的地址压入栈中，作为callee的返回地址，这样，当函数返回后可以正常执行接下来的指令。

3. 将当前ebp寄存器的值压入栈中，这是caller栈帧的基址，将ebp更新为当前的esp。

4. 将callee的局部变量压入栈中。

5. 函数调用结束后，就是上面过程的逆过程，callee栈帧中数据会出栈，恢复到caller栈帧状态。

上面的第1步由caller完成，第2步在caller执行call指令时完成，第3、4步由callee完成。

下面看一个具体的例子，callerStack.c代码如下：

// callerStack.c
// C语言函数调用栈  

# include <stdio.h>

int func(int arg1, int arg2, int arg3, int arg4, int arg5, int arg6, int arg7, int arg8)
{
    int loc1 = arg1 + 1;
    int loc2 = arg8 + 8;
    return loc1 + loc2;
}

int main(void)
{
    int ret = func(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8);
    return 0;
}

用命令gcc -m32 callerStack.c -o callerStack32生成32位程序，用gdb反汇编，得到的结果如下：

（这里额外说一下，如果是在64位机器上执行上述命令可能会报错： fatal error: bits/libc-header-start.h: No such file or directory #include <bits/libc-header-start.h>，需要安装multilib库：sudo apt install gcc-multilib）

   0x565561dd <main>       endbr32 
   0x565561e1 <main+4>     push   ebp    ; 将ebp入栈，保存caller的基址，esp -= 4
   0x565561e2 <main+5>     mov    ebp, esp    ; 将ebp更新为当前的esp
   0x565561e4 <main+7>     sub    esp, 0x10    ; esp -= 0x10
   0x565561e7 <main+10>    call   __x86.get_pc_thunk.ax                    <__x86.get_pc_thunk.ax>    ; 没看懂
 
   0x565561ec <main+15>    add    eax, 0x2df0    ; 没看懂
   0x565561f1 <main+20>    push   8    ; 参数入栈，esp -= 4
   0x565561f3 <main+22>    push   7
   0x565561f5 <main+24>    push   6
   0x565561f7 <main+26>    push   5
   0x565561f9 <main+28>    push   4
   0x565561fb <main+30>    push   3
   0x565561fd <main+32>    push   2
   0x565561ff <main+34>    push   1
   0x56556201 <main+36>    call   func                    <func>    ; 调用func，返回地址入栈
 
   0x56556206 <main+41>    add    esp, 0x20    ; 恢复栈顶
   0x56556209 <main+44>    mov    dword ptr [ebp - 4], eax    ; eax存放func的返回值
   0x5655620c <main+47>    mov    eax, 0
   0x56556211 <main+52>    leave  
   0x56556212 <main+53>    ret 


   0x565561ad <func>       endbr32 
   0x565561b1 <func+4>     push   ebp    ; 将ebp入栈，保存caller的基址，esp -= 4
   0x565561b2 <func+5>     mov    ebp, esp    ; ebp更新为当前的esp
   0x565561b4 <func+7>     sub    esp, 0x10    ; esp -= 0x10
   0x565561b7 <func+10>    call   __x86.get_pc_thunk.ax                    <__x86.get_pc_thunk.ax>    ; 没看懂
 
   0x565561bc <func+15>    add    eax, 0x2e20                   <func+15>    ; 没看懂
   0x565561c1 <func+20>    mov    eax, dword ptr [ebp + 8]    ; 取出arg1（值为1），放入eax中
   0x565561c4 <func+23>    add    eax, 1    ; arg1 + 1
   0x565561c7 <func+26>    mov    dword ptr [ebp - 8], eax    ; 计算结果（局部变量loc1）放入栈中
   0x565561ca <func+29>    mov    eax, dword ptr [ebp + 0x24]    ; 取出arg8（值为8），放入eax中
   0x565561cd <func+32>    add    eax, 8    ; arg8 + 8
   0x565561d0 <func+35>    mov    dword ptr [ebp - 4], eax    ; 计算结果（局部变量loc8）放入栈中
   0x565561d3 <func+38>    mov    edx, dword ptr [ebp - 8]
   0x565561d6 <func+41>    mov    eax, dword ptr [ebp - 4]
   0x565561d9 <func+44>    add    eax, edx    ; eax = eax (loc8) + edx (loc1)，函数返回值存放在eax中
   0x565561db <func+46>    leave      ; mov esp, ebp     pop ebp
   0x565561dc <func+47>    ret     ; pop eip

以上就是C语言函数的调用过程以及栈的情况，但是我还有几点疑问没有弄清楚，记录一下：

1. 为什么在函数刚开始的地方sub esp, 0x10，从后面的代码来看，开辟的空间用于存放局部变量，那为什么不是在局部变量定义的时候将局部变量的值入栈，再移动esp呢？而是一次性先esp -= 0x10，这样不会带来空间的浪费吗？

2. call __x86.get_pc_thunk.ax是什么意思？

3. add eax, 0x2e20有什么作用？

参考资料

星盟安全团队课程：https://www.bilibili.com/video/BV1Uv411j7fr
CTF竞赛权威指南（Pwn篇）（杨超 编著，吴石 eee战队 审校，电子工业出版社）
https://www.cnblogs.com/xuyaowen/p/libc-header-start.html