Linux C函数调用栈帧结构

Linux C程序的反汇编，每个函数第一个指令都是push %rbp，即当caller者调callee时，指令callq <fun addr> callee返回后的下一个指令地址压入栈帧，然后push %rbp 保存 rbp寄存器，紧接着mov %rsp,%rbp 更新rbp 寄存器这样层层调用构成函数调用栈，每个栈帧开始就是存的上一个栈帧的rbp, 结尾就是调用callee后的下一个执行令地址。函数调用详细介绍可以看这篇文章从汇编看Linux C函数的调用约定和参数传递的细节。

通过前面分析，可以得出，rbp寄存器存放的是当前栈帧的基址，当前栈帧的基址即开始地址则存放的是上一个栈帧的基址，即*rbp就是上一个栈帧的基址。对于x64，每个栈帧开头的八个字节存放的就是上个栈帧的基址。调用栈的结构图大致如下：

call stack

下面用一个例子来说明栈帧结构的细节。

int fun3(int a3)
{
    int a = 3;
    int re = a3;
    while(1);
    return re;
}

int fun2(int a2)
{
    int a = 2;
    int re = fun3(a2);
    return re;
}

int fun1(int a1)
{
    int a = 1;
    int re = fun2(a1);
    return re;
}

int main()
{
    int a = 7;
    int b = fun1(a);
    return 0;
}

利用gdb对上面里进行详细分析，编译gcc -g main.c, 执行./a.out, 然后新开一个shell窗口ps afxu | grep a.out查找进程PID，gdb - <PID>进行调试。可以很容易分析出函数的栈帧结构组织关系，详细如下：

fun3 (a3=7) at main.c:5
5       while(1);
(gdb) bt
#0  fun3 (a3=7) at main.c:5
#1  0x000000000040051f in fun2 (a2=7) at main.c:12
#2  0x0000000000400543 in fun1 (a1=7) at main.c:19
#3  0x0000000000400564 in main () at main.c:26
(gdb) p $rbp                    // 当前栈帧0 rbp
$1 = (void *) 0x7fff1c4d0ce0
(gdb) x/i *(long*)($1 + 8)      // 栈帧1 返回地址
   0x40051f <fun2+28>:  mov    %eax,-0x4(%rbp)
(gdb) p/x *(unsigned long*)$rbp // 栈帧1 rbp地址
$2 = 0x7fff1c4d0d08
(gdb) x/i *(long*)($2 + 8)      // 栈帧2 返回地址
   0x400543 <fun1+28>:  mov    %eax,-0x4(%rbp)
(gdb) p/x *(unsigned long*)$2   // 栈帧3 rbp
$3 = 0x7fff1c4d0d30
(gdb) x/i *(long*)($3 + 8)      // 栈帧3 返回地址
   0x400564 <main+25>:  mov    %eax,-0x4(%rbp)
(gdb) x/24x $rsp                // 从rsp开始24 DWORD的栈内容
0x7fff1c4d0ce0: 0x1c4d0d08  0x00007fff                          // rbp
                                        0x0040051f  0x00000000  // return addr
0x7fff1c4d0cf0: 0xa68271a8  0x00000007  0xa6dfe4c0  0x00007fe4
0x7fff1c4d0d00: 0x00000002  0x00007fe4
                                        0x1c4d0d30  0x00007fff  // rbp
0x7fff1c4d0d10: 0x00400543  0x00000000                          // return addr
                                        0x004005bd  0x00000007
0x7fff1c4d0d20: 0x1c4d0d50  0x00007fff  0x00000001  0x00000000
0x7fff1c4d0d30: 0x1c4d0d50  0x00007fff                          // rbp
                                        0x00400564  0x00000000  // return addr

还可以用pmap命令看布局：

root@ubuntu:~# pmap -p 23620
23620:   ./a.out
0000000000400000      4K r-x-- /root/a.out
0000000000600000      4K r---- /root/a.out
0000000000601000      4K rw--- /root/a.out
00007fe4a6817000   1776K r-x-- /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
00007fe4a69d3000   2044K ----- /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
00007fe4a6bd2000     16K r---- /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
00007fe4a6bd6000      8K rw--- /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
00007fe4a6bd8000     20K rw---   [ anon ]
00007fe4a6bdd000    140K r-x-- /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
00007fe4a6de6000     12K rw---   [ anon ]
00007fe4a6dfd000      8K rw---   [ anon ]
00007fe4a6dff000      4K r---- /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
00007fe4a6e00000      4K rw--- /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
00007fe4a6e01000      4K rw---   [ anon ]
00007fff1c4b2000    132K rw---   [ stack ]
00007fff1c5dd000      8K r-x--   [ anon ]
ffffffffff600000      4K r-x--   [ anon ]

参考

Computer Systems: A Programmer’s Perspective, 3/E (CS:APP3e)
函数调用栈的获取原理分析

Linux C函数调用栈帧结构

参考

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