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，将传给callee的参数按照逆序依次传入寄存器r9、r8、rcx、rdx、rsi、rdi，如果参数的个数超过了6个，将其余参数压入caller的栈帧中。如果callee不需要参数，则这一步骤省略。

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

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