C语言函数堆栈的思考

    源于一段课程案例的代码,拿编译器编译一下,结果不对,反复查了一下,无意中把结果改出来了,于是修改代码探索原因。虽然还有一些地方不太明确的,先总结一笔。 

     源码是这样的: 



    #include<stdio.h>
    int main( ) {
         int x;
         x = 0;
         pass(1, 2, 3);
         x = 1;
         printf("%d",x);
    }
    int pass(int a, int b, int c) {
       char buffer[16];
       int sum;
       int *ret;
       ret = (int*)(buffer+28);
       (*ret) += 7;
       sum = a + b + c;
       return sum;
     }
    

    粗看一下,会以为pass函数是多余的,结果不就是打印出来个1吗?其实不然,结果是0。
    要理解这段代码,不得不从汇编的层面入手,先贴汇编上面两个函数的代码。

     Linux下采用gcc进行编译,汇编代码如下:  

    080483c4 <main>:
     80483c4:       8d 4c 24 04             lea    0x4(%esp),%ecx
     80483c8:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp
     80483cb:       ff 71 fc                pushl  -0x4(%ecx)
     80483ce:       55                      push   %ebp
     80483cf:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
     80483d1:       51                      push   %ecx
     80483d2:       83 ec 24                sub    $0x24,%esp
     80483d5:       c7 45 f8 00 00 00 00    movl   $0x0,-0x8(%ebp)
     80483dc:       c7 44 24 08 03 00 00    movl   $0x3,0x8(%esp)
     80483e3:       00
     80483e4:       c7 44 24 04 02 00 00    movl   $0x2,0x4(%esp)
     80483eb:       00
     80483ec:       c7 04 24 01 00 00 00    movl   $0x1,(%esp)
     80483f3:       e8 23 00 00 00          call   804841b <pass>
     80483f8:       c7 45 f8 01 00 00 00    movl   $0x1,-0x8(%ebp)
     80483ff:       8b 45 f8                mov    -0x8(%ebp),%eax
     8048402:       89 44 24 04             mov    %eax,0x4(%esp)
     8048406:       c7 04 24 20 85 04 08    movl   $0x8048520,(%esp)
     804840d:       e8 ca fe ff ff          call   80482dc <printf@plt>
     8048412:       83 c4 24                add    $0x24,%esp
     8048415:       59                      pop    %ecx
     8048416:       5d                      pop    %ebp
     8048417:       8d 61 fc                lea    -0x4(%ecx),%esp
     804841a:       c3                      ret
    
    0804841b <pass>:
     804841b:       55                      push   %ebp
     804841c:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
     804841e:       83 ec 20                sub    $0x20,%esp
     8048421:       8d 45 e8                lea    -0x18(%ebp),%eax
     8048424:       83 c0 1c                add    $0x1c,%eax
     8048427:       89 45 f8                mov    %eax,-0x8(%ebp)
     804842a:       8b 45 f8                mov    -0x8(%ebp),%eax
     804842d:       8b 00                   mov    (%eax),%eax
     804842f:       8d 50 07                lea    0x7(%eax),%edx
     8048432:       8b 45 f8                mov    -0x8(%ebp),%eax
     8048435:       89 10                   mov    %edx,(%eax)
     8048437:       8b 45 0c                mov    0xc(%ebp),%eax
     804843a:       03 45 08                add    0x8(%ebp),%eax
     804843d:       03 45 10                add    0x10(%ebp),%eax
     8048440:       89 45 fc                mov    %eax,-0x4(%ebp)
     8048443:       8b 45 fc                mov    -0x4(%ebp),%eax
     8048446:       c9                      leave
     8048447:       c3                      ret
    
    

    补充说明一下,内存结构:   

    内存中的堆栈结构

    内存中的堆栈结构

     BSS段:BSS段(bss segment)通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。 

    数据段:数据段(data segment)通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。 

    代码段:代码段(code segment/text segment)通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定,并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写,即允许修改程序。在代码段中,也有可能包含一些只读的常数变量,例如字符串常量等。 

     堆(heap):堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段,它的大小并不固定,可动态扩张或缩减。当进程调用malloc等函数分配内存时,新分配的内存就被动态添加到堆上(堆被扩张);当利用free等函数释放内存时,被释放的内存从堆中被剔除(堆被缩减) 

     栈(stack):栈又称堆栈, 是用户存放程序临时创建的局部变量,也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量(但不包括static声明的变量,static意味着在数据段中存放变量)。除此以外,在函数被调用时,其参数也会被压入发起调用的进程栈中,并且待到调用结束后,函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进先出特点,所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲,我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。 

     main函数调用pass函数后,内存栈如下:   

    pass函数被调用后的栈结构

    pass函数被调用后的栈结构

     上图中的地址通过gdb调试获得。其中返回地址Return Addr的值为0x080483f8,即指向调用pass()函数命令的后一行命令x=1; 

    在pass()函数中,ret = (int*)(buffer+28);获取了存放返回地址的内存空间地址,通过(*ret) += 7;使得pass()函数返回地址加了7,这样pass()函数返回后程序正好跳过了x=1; 命令,接着运行printf命令,所以结果最后显示为0。

    以上将(*ret) += 7;改为(*ret) += 8;或(*ret) += 9;或(*ret) += 10;,结果都显示6,即pass()函数的返回结果。猜测是程序运行时有命令检查,+8和+9时返回后的命令皆不完整,直接跳到下一个可执行的命令,所以结果同+10的情况。(*ret) += 10;跳过了将变量x的值赋给寄存器%eax的命令,这样%eax寄存器中保留着之前pass()函数的运算结果6,后面两行命令是将寄存器%eax的结果显示出来,于是printf显示6;于是,(*ret) += 10;相当于跳过了给printf传递参数的命令。

    对于栈中变量的存放顺序,通过实验做了研究,通过调整sum、ret和buffer的定义代码顺序即可,发现buffer地址总是低于sum和ret的地址,而sum和ret的地址是定义的早的位于低地址。可能与类型有关,有待查证。 

    另外在Windows XP上用MinGW进行了编译,结果差异较大,留待以后再去研究。



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  1. 沙发
    叶三 2011年1月7日 下午11:19

    这个问题其实比较有趣,可惜这个是GCC随意性问题,比如我在F11和RHEL的一个版本上跑得很欢的一个代码片断(修改了一下pass):
    int pass(int a, int b, int c)
    {
    int dou = 0x01112321;
    int sum = 0x00004321;
    int dum = 78;
    int *ret = 0x00115555;
    ret = &dou + 5;
    (*ret) += 7;
    sum = a + b + c;
    return sum;
    }

    但是到我的Ubuntu上面,GCC版本:
    gcc version 4.4.3

    代码就要修正两句:
    ret = &dou + 2;
    (*ret) += 8;

    其实就是一个子函数变量压栈的问题,比如,我用的Ubuntu上面GCC是这样的,
    (gdb) x/20xw $esp
    0xbffff2a8: 0x00115555 0x0000004e 0x00004321 0x01112321
    0xbffff2b8: 0xbffff2e8 0x08048411 0x00000001 0x00000002
    0xbffff2c8: 0x00000003 0xbffff2e8 0x0015d4a5 0x0011e030
    加8,是因为
    8048405: c7 04 24 01 00 00 00 movl $0x1,(%esp)
    804840c: e8 1f 00 00 00 call 8048430
    8048411: c7 44 24 1c 01 00 00 movl $0x1,0x1c(%esp)
    8048418: 00
    8048419: b8 40 85 04 08 mov $0x8048540,%eax

    问题本身很有趣,可惜没有统一解。

    [回复]

    晴枫

    晴枫 回复:

    @叶三, 确实是不同编译器压栈方式的不同导致的,或许可以写成宏函数来做个统一的处理

    [回复]

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