【源码剖析】内存分区和函数调用原理-创新互联

函数调用序，一文即可知

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• • 概述
  • • 基础知识
    • 函数调用过程
    • 反汇编演示
    • 栈溢出实验
  • 参考博客

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概述基础知识

1. 程序静态内存模型
   • 代码区：存放函数体编译后的二进制指令，并且是只读的。
   • 常量区：存放常量，并且是只读的，如字符串、数字、const修饰的全局变量···
   • 静态区&全局区：存放编译时即可确定存储大小的静态变量和全局变量，可读可写
     • .bss段：存放程序中未初始化的或者初始化为0的全局变量和静态变量，但是在可执行文件中只简单维护每个变量起始地址和大小，在运行时由操作系统初始化
     • .data段：存储已初始化（非零）的全局变量和静态变量，占用可执行文件空间，其内容有程序初始化
   • 自由存储区：自由存储是C++中通过new和delete动态分配和释放对象的抽象概念，new可以被重载从而出现不同的分配方式，如在栈上new
   • 堆区：存储malloc动态分配的内存（new底层也是调用malloc），内存由低地址向高地址生长，由程序员进行内存的分配和释放，系统维护开销大，速度比栈慢
   • 栈区：存储函数调用过程，由操作系统进行自动的分配和释放
2. 进程地址空间（程序动态内存模型）
   • 只读代码段
     • .init段：初始化时调用的小函数
     • .text段：存放已编译程序的机器码
     • .rodata段：存放常量，并且是只读的，如字符串、数字、const修饰的全局变量···
   • 共享库： 该区域用于映射可执行文件用到的动态链接库
   • 其他如上静态模型所示(下面是低地址，上面是高地址)
3. 其他注意事项
   • 使用局部变量时，尽量进行初始化。编译器不会初始化局部变量，所以如果使用未初始化的局部变量，内部的值是垃圾值。但是debug调试模式下，运行时机制会将栈空间全部初始化为0
   • 进程是程序的一次动态运行，静态的程序内存模型，载入内存执行时会发生上述变化
4. 栈和堆的区别
   • 管理方式不同：栈由操作系统自动分配释放。堆的申请和释放工作由程序员控制，容易产生内存泄漏；
   • 空间大小不同：通常每个进程的栈空间远远小于堆空间
   • 生长方式不同：堆在内存中由低地址向高地址生长，栈在内存中由高地址向地址生长
   • 分配方式不同：堆都是动态分配的。栈有 2 种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是由操作系统完成的。动态分配由alloca()函数分配，由操作系统自动释放。
   • 分配效率不同。
     • 栈由操作系统自动分配，会在硬件层级对栈提供支持：分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的指令执行，这就决定了栈的效率比较高。
     • 堆则是由C/C++提供的库函数或运算符来完成申请与管理，实现机制较为复杂，频繁的内存申请容易产生内存碎片。显然，堆的效率比栈要低得多。
   • 存放内容不同。
     • 栈，存放函数的调用过程。存放的内容，函数返回地址、相关参数、局部变量和寄存器内容等
     • 堆，一般堆顶使用一个字节的空间来存放堆的大小，而堆中具体存放内容是由程序员来填充的。

函数调用过程

0. 时间紧迫就不要看，【 call 计算机从开机加电到执行main函数之前的过程】如果看完了这篇文章，别忘了ret返回这里，哈哈哈
1. 任何的C或C++在main函数执行前有一个启动码函数mainCRTStartup()，而main函数由启动码函数中的invoke_main()调用
2. 构造主函数栈帧（这也是一个调用过程，现在将main调用子函数的过程进行细化）
3. call 子函数名，即主函数调用子函数
   • 将主函数中调用点的下一条指令地址压入栈中
   • 转移到调用的子函数
4. push ebp，将主函数的栈底指针压入栈中
5. mov ebp esp，使栈底指针指向栈顶，即构造子函数的栈底
6. 栈顶下移留出局部变量存储内存空间
7. 压入caller-save register（ebx，esi，edi），用于保存函数的处理信息
8. 初始化栈底ebp指向地址和存储ebx的地址之间的内存空间
9. 执行子函数
10. 将 caller-save register value逆序弹出到对应寄存器中
11. mov esp ebp，用子函数的ebp给esp赋值，将栈顶指针指向栈底
12. pop ebp将栈顶的上一个函数的ebp值弹出到ebp寄存器中
13. ret将栈顶的值（主函数的调用断点的下一条指令的地址）弹出到EIP中，EIP会执行下一条指令，即返回主函数。
    

反汇编演示

1. 编译环境：vs2022&win10

2. 编译器问题：编译器越高级，其中处理的越会繁琐。在不同的编译器下，函数的调用过程中的栈帧的创建是略有差异的，具体细节取决于编译器的实现

3. 前置知识

   • 程序寄存器组是所有函数调用过程的共享资源。所以函数调用需要将当前函数执行相关的寄存器值保存到函数自己的栈帧中，当函数返回时，再将函数栈帧中的值恢复到相应的寄存器中。IA32采用于一组统一的寄存器使用惯例：寄存器eax,edx,ecx被分为调用者的可用寄存器，即当过程P调用Q时，Q可以覆盖这些寄存器，而不会破坏任何P所需要的数据。另外，ebx,esi,edi分为被调用者保存寄存器，意味着覆盖他们之前，将这些寄存器的值保存在栈中，并在返回前恢复他们。
   • 调用函数所做的工作：将当前的指令的下一条指令的地址保存，保存的目的是为了调用结束后修改PC值返回，然后跳转至目标地址处。实现跳转是由修改EIP（PC）的值完成的。
   • 任何一个临时变量都保存在当前的函数的栈帧内。调用结束后，修改esp和ebp完成空间释放，但栈帧实际还存在，只是告诉编译器这部分栈空间可以被覆盖掉。文件删除也是这个原理。
   • return所做的工作是将当前的函数的返回值地址出栈，利用pop的数据修改EIP。
   • 调用函数的空间时间开销主要来自于栈帧的开辟与释放。每个函数栈帧都有自己的 ebp 和 esp 来维护栈帧空间
   • 函数的返回值时通过寄存器进行保存和返回的

4. 32位下反汇编（下面从0开始）

// 被调用的子函数
int sum(int a, int b) {// 5. 构造子函数栈帧
00451740  push        ebp  //把ebp寄存器的值入栈，此时的ebp中存放的是主调函数的栈基址
00451741  mov         ebp,esp// 将当前栈顶指针esp赋值给栈基址寄存器ebp，即现在为子函数栈帧
00451743  sub         esp,0CCh// 栈顶指针esp下移（栈由高向低生长），即由esp和ebp共同维护这一段子函数栈帧
00451749  push        ebx  //将寄存器ebx的值压栈，esp-4
0045174A  push        esi  //将寄存器esi的值压栈，esp-4
0045174B  push        edi  //将寄存器edi的值压栈，esp-4
0045174C  lea         edi,[ebp-0Ch]  //先把ebp-0E4h的地址，放在edi中
// 下三行将ebp指向的内存到值为ebx之间初始化成0CCCCCCCCh  
0045174F  mov         ecx,3  
00451754  mov         eax,0CCCCCCCCh  
00451759  rep stos    dword ptr es:[edi]  
// 下两行为编译器debug模式下调试用的cookie
0045175B  mov         ecx,offset _01833B24_TestCpp@cpp (045C008h)  
00451760  call        @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (045130Ch)  
	// 6. 执行子函数功能
	int c = a + b;
00451765  mov         eax,dword ptr [a]  
00451768  add         eax,dword ptr [b]  
0045176B  mov         dword ptr [c],eax  
	return c;
// 返回值放入eax中，函数调用返回时不会被覆盖
0045176E  mov         eax,dword ptr [c]  
}
00451771  pop         edi  //在栈顶弹出一个值，存放到edi中，esp+4
00451772  pop         esi  //在栈顶弹出一个值，存放到esi中，esp+4
00451773  pop         ebx  //在栈顶弹出一个值，存放到ebx中，esp+4
// 下三行为debug模式下的cookie
00451774  add         esp,0CCh  
0045177A  cmp         ebp,esp  
0045177C  call        __RTC_CheckEsp (0451235h)  
	// 7. 将栈帧恢复为主函数的栈帧（ebp和esp）
00451781  mov         esp,ebp // 将子函数的栈底指针赋值给栈顶指针esp，相当于回收栈，但是子函数栈帧仍然存在栈中 
00451783  pop         ebp  //弹出栈顶的值存放到ebp，栈顶此时的值恰好就是main函数的ebp，esp+4，此时恢复了main函数的栈帧维护，esp指向main函数栈帧的栈顶，ebp指向了main函数栈帧的栈底。
	// 8. 返回到主函数的调用点的下一条指令的地址
00451784  ret  //ret指令的执行，首先是从栈顶弹出一个值，此时栈顶的值就是call指令下一条指令的地址，此时esp+4，然后直接跳转到call指令下一条指令的地址处，继续往下执行
···
// 主函数
int main() {// 0. 构造主函数栈帧(配合堆栈结构图片看更容易理解)
004517B0  push        ebp  //把ebp寄存器的值入栈，此时的ebp中存放的是invoke_main栈基址
004517B1  mov         ebp,esp // 将当前栈顶指针esp赋值给栈基址寄存器ebp，即现在为mian函数栈帧
004517B3  sub         esp,0D8h// 栈顶指针esp下移（栈由高向低生长），即由esp和ebp共同维护这一段mian栈帧  
004517B9  push        ebx //将寄存器ebx的值压栈，esp-4，这三个应该是main的三个形参变量 
004517BA  push        esi //将寄存器esi的值压栈，esp-4 
004517BB  push        edi //将寄存器edi的值压栈，esp-4 
004517BC  lea         edi,[ebp-18h]  //先把ebp-18h的地址，放在edi中
// 下三行将ebp指向的内存到值为ebx之间初始化成0CCCCCCCCh  
004517BF  mov         ecx,6  
004517C4  mov         eax,0CCCCCCCCh  
004517C9  rep stos    dword ptr es:[edi]
// 下两行为编译器debug模式下调试用的cookie  
004517CB  mov         ecx,offset _01833B24_TestCpp@cpp (045C008h)  
004517D0  call        @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (045130Ch)  
// 函数功能实现
	// 1. 为main函数栈帧中的局部变量赋值（系统啥时候把a和b初始化成main堆栈的？）
	int a = 1;
004517D5  mov         dword ptr [a],1  // a相当于一个指针，将1赋值到a指向的内存中，实际在mian函数的栈帧中
	int b = 2;
004517DC  mov         dword ptr [b],2  // 同上
	sum(a, b);
	// 2. 将被调用函数的参数从右向左依次用通用寄存器保存
004517E3  mov         eax,dword ptr [b]  
004517E6  push        eax  
004517E7  mov         ecx,dword ptr [a]  
004517EA  push        ecx  
	// 3. call子函数，分成两步，1.将程序下一条指令地址压入栈中2.转移到调用的子函数（最后一行）
004517EB  call        sum (045116Dh)  
004517F0  add         esp,8  
	return 0;
004517F3  xor         eax,eax  
}
004517F5  pop         edi  
004517F6  pop         esi  
004517F7  pop         ebx  
004517F8  add         esp,0D8h  
004517FE  cmp         ebp,esp  
00451800  call        __RTC_CheckEsp (0451235h)  
00451805  mov         esp,ebp  
00451807  pop         ebp  
00451808  ret  
// 以下是函数表，只是一个中转作用
···
	// 4. 执行跳转指令到子函数的执行（第一行）
0045116D  jmp         sum (0451740h)
··· 

5. 64位下反汇编，代码没问题，但是我的注释可能有问题，有的地方没理解，等我神功大成

#include// 主函数调用的子函数
int sum(int a, int b) {// 4. 将子函数的参数自右向左依次压入栈中
00007FF7F5631740  mov         dword ptr [rsp+10h],edx // 栈由高地址向低地址生长
00007FF7F5631744  mov         dword ptr [rsp+8],ecx  // 这是低地址
	// 5. 压入主调函数的栈基址，即上一个栈帧的开始地址
00007FF7F5631748  push        rbp  
	// 6.将主调函数的函数调用点的下一条指针地址压入栈中
00007FF7F5631749  push        rdi  
00007FF7F563174A  sub         rsp,108h  
00007FF7F5631751  lea         rbp,[rsp+20h]  
00007FF7F5631756  lea         rcx,[__01833B24_TestCpp@cpp (07FF7F5641008h)]  
00007FF7F563175D  call        __CheckForDebuggerJustMyCode (07FF7F5631343h)  
	// 7. 执行函数体内的功能语句
	int c = a + b;
00007FF7F5631762  mov         eax,dword ptr [b]  
00007FF7F5631768  mov         ecx,dword ptr [a]  
00007FF7F563176E  add         ecx,eax  
00007FF7F5631770  mov         eax,ecx  
00007FF7F5631772  mov         dword ptr [c],eax  
	return c;
00007FF7F5631775  mov         eax,dword ptr [c]  // 将返回值赋值到eax中
}
00007FF7F5631778  lea         rsp,[rbp+0E8h]
	// 8. 注意此时栈顶依次为rdi rbp。所以逆序pop到相应的寄存器中
00007FF7F563177F  pop         rdi  
00007FF7F5631780  pop         rbp  
	// 9. ret是子函数返回指令，与call搭配使用，修改pc（存储下一条将要执行的指令地址），并恢复主函数堆栈
00007FF7F5631781  ret  
// main函数
int main() {// 0. debug模式下的插入的cookie？
00007FF7F56317A0  push        rbp  
00007FF7F56317A2  push        rdi  
00007FF7F56317A3  sub         rsp,128h  
00007FF7F56317AA  lea         rbp,[rsp+20h]  
00007FF7F56317AF  lea         rcx,[__01833B24_TestCpp@cpp (07FF7F5641008h)]  
00007FF7F56317B6  call        __CheckForDebuggerJustMyCode (07FF7F5631343h)  
	// 1. 分别开辟4个字节大小的双字内存并将值移入
	int a = 1;
00007FF7F56317BB  mov         dword ptr [a],1  
	int b = 2;
00007FF7F56317C2  mov         dword ptr [b],2  
	// 2. 将参数压入寄存器中，调用子函数
	sum(a, b);
00007FF7F56317C9  mov         edx,dword ptr [b]  // 将内存地址为a的双字类型的数据赋值给edx
00007FF7F56317CC  mov         ecx,dword ptr [a]  
00007FF7F56317CF  call        sum (07FF7F56313A2h)  // 调用子函数（最后一行）
	return 0;
00007FF7F56317D4  xor         eax,eax  
}
00007FF7F56317D6  lea         rsp,[rbp+108h]  
00007FF7F56317DD  pop         rdi  
00007FF7F56317DE  pop         rbp  
00007FF7F56317DF  ret  

// 从函数表中截取的子函数跳转指令
	// 3. 跳转到子函数
00007FF7F56313A2  jmp         sum (07FF7F5631740h)  // 第一行
···

栈溢出实验

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2. 两个栈溢出的CVE漏洞实验https://blog.csdn.net/qq_43840665/article/details/124265725

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参考博客

1. 侯捷——c++的生前死后
2. 一文读懂 .bss段 的作用
3. 简述代码中关于.data、.bss、.rodata、.text段的意义
4. 一文读懂堆与栈的区别
5. 《C语言》函数栈帧的创建与销毁–（内功）
6. 函数调用的执行过程
7. 函数调用过程中函数栈详解

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