简单C程序在IA-32 CPU上运行过程的分析

本文将通过编译器生成的汇编代码分析C程序在IA-32体系PC上的运行流程

实验环境: gcc 4.8.2

C语言程序的内存结构

C代码如下

int g(int x)
{
    return x + 1;
}

int f(int x)
{
    return g(x);
}

int main(void)
{
    return f(2) + 3;
}

使用编译命令gcc -S -O0 -o main.s main.c -m32编译出汇编文件，如下

g:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    movl    8(%ebp), %eax
    addl    $1, %eax
    popl    %ebp
    ret
f:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $4, %esp
    movl    8(%ebp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    g
    leave
main:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $4, %esp
    movl    $2, (%esp)
    call    f
    addl    $3, %eax
    leave

入口点位于main，由main开始分析

• pushl %ebp
  • subl $4, %esp
  • movl %ebp, (%esp)
  • 这是进入main函数后的第一个操作，保存了原来的ebp，即main开始执行之前的栈现场
• movl %esp, %ebp
  • esp的值进入ebp，这儿将栈底设置为进入main之前的栈顶，即此处开始，ebp后面新增的栈都是main函数中的操作造成的，每次ebp的变化都意味着当前所处的函数的变化
• subl $4, %esp
• movl $2, (%esp)
  • 以上两句实际上是执行了pushl $2, %esp,将立即数2入栈，
  • 这句执行完成以后，使用gdb查看eip的值为0x8048418<main+13>，即下一行call f
• call f
  • pushl %eip
  • jmp f
  • 调用f函数，上面两句入栈的立即数2就是函数f的参数，并将eip指向f的入口地址
• addl $3, %eax
  • eax中存储的是函数f调用返回的结果，这条语句在eax上加上了立即数3
• leave
  • movl %ebp, %esp
  • popl %ebp
  • 这两句将ebp还原到了调用main之前的现场，main函数调用到此为止
• ret
  • popl %eip
  • 将eip指回调用main之前的地址，退出函数main

进入main以后的第一个函数调用f(x)

• pushl %ebp
• movl %esp, %ebp
  • 这儿的作用和main中一样，不重复说明
• subl $4, %esp
  • 为参数留出栈空间
• movl 8(%ebp), %eax
  • 栈地址是向下增长的，这儿ebp+8是获取了压入eip和参数前的地址，这条语句就是将参数存入eax
• movl %eax, (%esp)
  • eax入栈，即参数入栈，c代码中函数g的参数就是函数f接收的参数，所以直接调用g函数
• call g
  • pushl %eip
  • jmp g
• leave
  • 以上两行和main一致，不再重复
• ret
  • 和main中作用一致

最后一个函数调用g(x)

• pushl %ebp
• movl %esp, %ebp
  • 和前面描述一致，不赘述
• movl 8(%ebp), %eax
  • 依然和f中的功能一致
• addl $1, %eax
  • 函数g的功能，即在参数上+1
• popl %ebp
  • movl (%esp), %ebp
  • addl $4, %esp
  • 恢复调用g之前的栈
• ret
  • popl %eip
  • 将eip指回调用函数g之前的地址，即回到函数f中

C语言程序在IA-32机器上的运行过程中，最重要的几条指令即push/pop,call/ret,其中push/pop实现了栈的基本操作，call/ret维护了函数的调用栈，确保了函数调用流程的连续

使用ddd抓了两张call前后的eip变化，可以很清晰的看出eip在call时的非线性改变

最后再看一下编译器优化可以做到的效果，以gcc -S -O3 -o test.s test.c -m32编译上述代码，得到的汇编如下

g:
    movl    4(%esp), %eax
    addl    $1, %eax
    ret
f:
    movl    4(%esp), %eax
    addl    $1, %eax
    ret
main:
    movl    $6, %eax
    ret

可以看见编译器直接把main函数的结果算出来当做立即数返回了。。还是很强大的。。f和g这种简单函数也没有重新设置栈底，而是直接采用了变址寻址，提升了运行效率

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吴韬，原创作品转载请注明出处，《Linux内核分析》MOOC课程