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探秘“栈”之旅

作者: Gustavo Duarte 译者: LCTT qhwdw

| 2018-05-15 18:31      

早些时候,我们探索了 “内存中的程序之秘”,我们欣赏了在一台电脑中是如何运行我们的程序的。今天,我们去探索栈的调用,它在大多数编程语言和虚拟机中都默默地存在。在此过程中,我们将接触到一些平时很难见到的东西,像闭包closure、递归、以及缓冲溢出等等。但是,我们首先要作的事情是,描绘出栈是如何运作的。

栈非常重要,因为它追踪着一个程序中运行的函数,而函数又是一个软件的重要组成部分。事实上,程序的内部操作都是非常简单的。它大部分是由函数向栈中推入数据或者从栈中弹出数据的相互调用组成的,而在堆上为数据分配内存才能在跨函数的调用中保持数据。不论是低级的 C 软件还是像 JavaScript 和 C# 这样的基于虚拟机的语言,它们都是这样的。而对这些行为的深刻理解,对排错、性能调优以及大概了解究竟发生了什么是非常重要的。

当一个函数被调用时,将会创建一个栈帧stack frame去支持函数的运行。这个栈帧包含函数的局部变量和调用者传递给它的参数。这个栈帧也包含了允许被调用的函数(callee)安全返回给其调用者的内部事务信息。栈帧的精确内容和结构因处理器架构和函数调用规则而不同。在本文中我们以 Intel x86 架构和使用 C 风格的函数调用(cdecl)的栈为例。下图是一个处于栈顶部的一个单个栈帧:

在图上的场景中,有三个 CPU 寄存器进入栈。栈指针stack pointer esp(LCTT 译注:扩展栈指针寄存器) 指向到栈的顶部。栈的顶部总是被最后一个推入到栈且还没有弹出的东西所占据,就像现实世界中堆在一起的一叠盘子或者 100 美元大钞一样。

保存在 esp 中的地址始终在变化着,因为栈中的东西不停被推入和弹出,而它总是指向栈中的最后一个推入的东西。许多 CPU 指令的一个副作用就是自动更新 esp,离开寄存器而使用栈是行不通的。

在 Intel 的架构中,绝大多数情况下,栈的增长是向着低位内存地址的方向。因此,这个“顶部” 在包含数据的栈中是处于低位的内存地址(在这种情况下,包含的数据是 local_buffer)。注意,关于从 esplocal_buffer 的箭头不是随意连接的。这个箭头代表着事务:它专门指向到由 local_buffer 所拥有的第一个字节,因为,那是一个保存在 esp 中的精确地址。

第二个寄存器跟踪的栈是 ebp(LCTT 译注:扩展基址指针寄存器),它包含一个基指针base pointer或者称为帧指针frame pointer。它指向到一个当前运行的函数的栈帧内的固定位置,并且它为参数和局部变量的访问提供一个稳定的参考点(基址)。仅当开始或者结束调用一个函数时,ebp 的内容才会发生变化。因此,我们可以很容易地处理在栈中的从 ebp 开始偏移后的每个东西。如图所示。

不像 espebp 大多数情况下是在程序代码中通过花费很少的 CPU 来进行维护的。有时候,完成抛弃 ebp 有一些性能优势,可以通过 编译标志 来做到这一点。Linux 内核就是一个这样做的示例。

最后,eax(LCTT 译注:扩展的 32 位通用数据寄存器)寄存器惯例被用来转换大多数 C 数据类型返回值给调用者。

现在,我们来看一下在我们的栈帧中的数据。下图清晰地按字节展示了字节的内容,就像你在一个调试器中所看到的内容一样,内存是从左到右、从顶部至底部增长的,如下图所示:

局部变量 local_buffer 是一个字节数组,包含一个由 null 终止的 ASCII 字符串,这是 C 程序中的一个基本元素。这个字符串可以读取自任意地方,例如,从键盘输入或者来自一个文件,它只有 7 个字节的长度。因为,local_buffer 只能保存 8 字节,所以还剩下 1 个未使用的字节。这个字节的内容是未知的,因为栈不断地推入和弹出,除了你写入的之外,你根本不会知道内存中保存了什么。这是因为 C 编译器并不为栈帧初始化内存,所以它的内容是未知的并且是随机的 —— 除非是你自己写入。这使得一些人对此很困惑。

再往上走,local1 是一个 4 字节的整数,并且你可以看到每个字节的内容。它似乎是一个很大的数字,在8 后面跟着的都是零,在这里可能会误导你。

Intel 处理器是小端little endian机器,这表示在内存中的数字也是首先从小的一端开始的。因此,在一个多字节数字中,较小的部分在内存中处于最低端的地址。因为一般情况下是从左边开始显示的,这背离了我们通常的数字表示方式。我们讨论的这种从小到大的机制,使我想起《格里佛游记》:就像小人国的人们吃鸡蛋是从小头开始的一样,Intel 处理器处理它们的数字也是从字节的小端开始的。

因此,local1 事实上只保存了一个数字 8,和章鱼的腿数量一样。然而,param1 在第二个字节的位置有一个值 2,因此,它的数学上的值是 2 * 256 = 512(我们与 256 相乘是因为,每个位置值的范围都是从 0 到 255)。同时,param2 承载的数量是 1 * 256 * 256 = 65536

这个栈帧的内部数据是由两个重要的部分组成:前一个栈帧的地址(保存的 ebp 值)和函数退出才会运行的指令的地址(返回地址)。它们一起确保了函数能够正常返回,从而使程序可以继续正常运行。

现在,我们来看一下栈帧是如何产生的,以及去建立一个它们如何共同工作的内部蓝图。首先,栈的增长是非常令人困惑的,因为它与你你预期的方式相反。例如,在栈上分配一个 8 字节,就要从 esp 减去 8,去,而减法是与增长不同的奇怪方式。

我们来看一个简单的 C 程序:

Simple Add Program - add.c

int add(int a, int b)
{
    int result = a + b;
    return result;
}

int main(int argc)
{
    int answer;
    answer = add(40, 2);
}

简单的加法程序 - add.c

假设我们在 Linux 中不使用命令行参数去运行它。当你运行一个 C 程序时,实际运行的第一行代码是在 C 运行时库里,由它来调用我们的 main 函数。下图展示了程序运行时每一步都发生了什么。每个图链接的 GDB 输出展示了内存和寄存器的状态。你也可以看到所使用的 GDB 命令,以及整个 GDB 输出。如下:

第 2 步和第 3 步,以及下面的第 4 步,都只是函数的序言prologue,几乎所有的函数都是这样的:ebp 的当前值被保存到了栈的顶部,然后,将 esp 的内容拷贝到 ebp,以建立一个新的栈帧。main 的序言和其它函数一样,但是,不同之处在于,当程序启动时 ebp 被清零。

如果你去检查栈下方(右边)的整形变量(argc),你将找到更多的数据,包括指向到程序名和命令行参数(传统的 C 的 argv)、以及指向 Unix 环境变量以及它们真实的内容的指针。但是,在这里这些并不是重点,因此,继续向前调用 add()

mainesp 减去 12 之后得到它所需的栈空间,它为 ab 设置值。在内存中的值展示为十六进制,并且是小端格式,与你从调试器中看到的一样。一旦设置了参数值,main 将调用 add,并且开始运行:

现在,有一点小激动!我们进入了另一个函数序言,但这次你可以明确看到栈帧是如何从 ebp 到栈建立一个链表。这就是调试器和高级语言中的 Exception 对象如何对它们的栈进行跟踪的。当一个新帧产生时,你也可以看到更多这种典型的从 ebpesp 的捕获。我们再次从 esp 中做减法得到更多的栈空间。

ebp 寄存器的值拷贝到内存时,这里也有一个稍微有些怪异的字节逆转。在这里发生的奇怪事情是,寄存器其实并没有字节顺序:因为对于内存,没有像寄存器那样的“增长的地址”。因此,惯例上调试器以对人类来说最自然的格式展示了寄存器的值:数位从最重要的到最不重要。因此,这个在小端机器中的副本的结果,与内存中常用的从左到右的标记法正好相反。我想用图去展示你将会看到的东西,因此有了下面的图。

在比较难懂的部分,我们增加了注释:

这是一个临时寄存器,用于帮你做加法,因此没有什么警报或者惊喜。对于加法这样的作业,栈的动作正好相反,我们留到下次再讲。

对于任何读到这里的人都应该有一个小礼物,因此,我做了一个大的图表展示了 组合到一起的所有步骤

一旦把它们全部布置好了,看上起似乎很乏味。这些小方框给我们提供了很多帮助。事实上,在计算机科学中,这些小方框是主要的展示工具。我希望这些图片和寄存器的移动能够提供一种更直观的构想图,将栈的增长和内存的内容整合到一起。从软件的底层运作来看,我们的软件与一个简单的图灵机器差不多。

这就是我们栈探秘的第一部分,再讲一些内容之后,我们将看到构建在这个基础上的高级编程的概念。下周见!


via:https://manybutfinite.com/post/journey-to-the-stack/

作者:Gustavo Duarte 译者:qhwdw 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出

LCTT 译者
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共计翻译: 133 篇 | 共计贡献: 259
贡献时间:2017-10-31 -> 2018-07-16
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