栈与栈帧的调试

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看雪论坛作者ID：顾忧

栈，通常用于存储局部变量、传递函数参数、保存函数返回地址等。

一

栈内存在进程中的作用

1、暂时保存函数内的局部变量
2、调用函数时传递参数
3、保存函数返回后的地址

二

栈的特征

一个进程中，栈顶指针（ESP）初始状态指向栈底端、执行push命令将数据压入栈时，栈顶指针就会上移到栈顶端。执行pop命令从栈中弹出数据时，若栈为空，则栈顶指针就会重新移动到栈底端。

栈是由下往上扩展的，栈顶顶针在初始状态下指向栈底，这就是栈的特征。

三

栈操作示例

1、od打开stack.exe文件，从中看到寄存器窗口中栈顶指针ESP的值为0012FFC4，栈窗口中最上面的地址（即栈顶地址）也为0012FFC4，右边为0012FFC4对应的值。

2、在代码窗口按下F7（Step into），自己执行地址00401000处的PUSH 100指令。

可以看到ESP的值减少了四个字节，变成了0012FFC0，并且栈窗口中的栈顶指定也指向了0012FFC0地址，且值也变成100。

再次执行pop EAX，ESP的值增加4个字节，变为0012FFC4。OD状态变成最开始的状态。

栈帧在程序中用于声明局部变量、调用函数。理解栈帧主要用来掌握保存在其中的函数参数与局部变量。

简而言之，栈帧就是利用EBP（栈帧指针，注意不是ESP）寄存器访问栈内局部变量、参数、函数返回地址等的手段。ESP寄存器承担着栈顶指针的作用，而EBP寄存器则负责行驶栈帧指针的职能。

在程序运行中，ESP寄存器的值随时会变化，访问栈中函数的局部变量、参数时，若以ESP的值为基准编写程序会十分困难，并且也很难使CPU引用到准确的地址。

所以，调用某函数时，先要把用作基准点（函数起始地址）的ESP值保存到EBP，并维持在函数内部。这样，无论ESP的值如何变化，以EBP的值为基准能够安全访问到相关函数的局部变量、参数、返回地址。

栈帧对应的汇编代码：

示例：stackframe.cpp源码

在main()函数的起始地址（40120）处下一个断点，然后F9运行程序，程序运行到断点处停止。

在开始调试前，记录一下栈的状态。如下，此时ESP的值为0012FF7C，EBP的值为0012FFC0。

注意，地址00401250保存在ESP（0012FF7C）中，它是main()函数执行完毕后要返回的地址。

main()函数一开始运行就生成与其对应的函数。

PUSH是一条压栈指令，下面这一句的意思是将EBP的值压入栈。main()函数中，EBP为栈帧指针，用来把EBP之前的值备份到栈中（main()函数执行完毕后，在返回之前，该值会再次恢复）。同时执行，这一条PUSH指令后，ESP的值变成12 FF78（0012FF7C-4）

同时执行这一条PUSH指令后，ESP的值变成12 FF78（0012FF7C-4）。

MOV是一条数据传输指令，这条语句的意思是将ESP的值传送到EBP。也就是说，从这条指令开始，EBP就有了与现在ESP相同的值，并且直到main()函数执行完毕，EBP的值始终保持不变。

换言之，可以通过EBP安全的访问到存储在栈中的函数参数与局部变量。执行完PUSH与MOV两条指令，栈帧就生成了，即EBP被设置好了。

在OD的栈窗口，右击依次选择Address-Relative to EBP。

现在的栈内情况被转换成相对于EBP的偏移后，能更直观地观察到栈内情况。如下，在栈窗口中可以看到EBP的位置。

2、设置局部变量
开始分析源文件中的变量声明与赋值语句。下面的语句用于在栈中为局部变量(a,b)分配空间

执行该指令之后，ESP由原来的12 FF78变成12 FF70。减去这8个字节，是为局部变量（a和b）开辟空间，以便将它们保存在栈中。由于局部变量a与b都是long型（长整型），它们分别占据4个字节，因此需要开辟8个字节的空间。

为函数变量开辟好栈空间后，在main（）函数内部，无论ESP的值如何变化，变量a与b的栈空间都不会收到损坏。由于EBP的值在函数内部是固定不变的，所以可以以它为基准来访问函数的局部变量了。

接下来看如下代码，dword ptr ss:[ebp-0x4]可以理解为c语言中的指针。

汇编语言与C语言的指针语句格式：

提示：DWORD PTR SS:[EBP-4]语句中，SS是Stack Segment的缩写，表示栈段。由于Windows中使用的段内存模型，使用时需要指出相关内存属于哪一个区段。起始，32位的Windows OS中，SS、DS、ES的值皆为0，所以采用这种方式附上区段并没有什么意义。

因为EBP与ESP是指向栈的寄存器，所以添加上了SS寄存器。DWORD PTR SS：等字符串可以通过OD的相关选项来隐藏。

再次分析一下刚刚的两条MOV指令，它们的含义是把数据1与数据2分别保存在[EBP-4]与[EBP-8]中，即[EBP-4]代表局部变量a，[EBP-8]代表局部变量b。执行完两条指令后，栈内情况如下图，可以看到其对应的值分别为1，2。

3、add()函数参数传递与调用

代码如下：

请看下面五行汇编代码，它描述了add()函数的整个过程。
地址0040103C处为"CALL 40100" 命令，用于调用40100处的函数，而40100处的函数为add()函数。

函数add()接收a、b两个长整型参数，所以在调用add()之前需要把两个参数压入栈，地址401034—40103B之间的指令就是这个作用。这一过程中需要注意的是，参数入栈的顺利与C语言源码中的参数顺序相反（这种现象被称为函数参数的逆向存储）。

换言之，变量B首先入栈，接着变量a再入栈。执行完401034—40103B的指令后，栈内情况如下：

执行CALL命令进入被调用函数之前，CPU会把函数的返回值压入栈，用做函数执行完毕后的返回地址。

从上图可以看出调用add()函数之后，下一条命令的地址为401041。函数执行完毕后就会跳转到这个地址。这个地址被称为函数的返回地址。执行CALL命令后的栈窗口如下：

接下来执行add()函数的汇编指令。指令如下：

指令先把EBP值（main()函数的基址指针）保存到栈中,再把当前的ESP的值存储到EBP当中。执行完，栈窗口中的情况如下：

4、设置add()函数的局部变量（x,y）

源代码如下:
声明了两个长整型的局部变量（x，y），并用两个形式参数（a，b）分别为它们赋初始值。

执行完下面的指令后，[EBP+8]与[EBP+C]分别执行参数a与b，而[EBP-8]与[EBP-4]分别指向add()函数的两个局部变量x，y。栈窗口如下：

5、ADD运算

源码：

汇编指令：

小知识：
EAX是一种通用寄存器，在算术运算中存储输入输出数据，为函数提供返回值。若向EAX输入某个值，该值就会原封不动地返回。执行过程中，栈内状态不变。

6、删除函数add()的栈帧以及函数执行完成返回

把EBP值赋给ESP，与前文的MOV EBP,ESP指令对应。把存储到EBP的值恢复到ESP中。

提示：
执行完MOV ESP,EBP之后，地址401003处的指令不在有效。POP EBP用于恢复函数add()开始执行时备份到栈中的EBP值，可以看到ESP的值为0012FF64，对应的值为401041是执行call 401000命令时cpu存储到栈中的返回地址。

EBP恢复为0012FF78，是当初main()函数的EBP值。

执行下面的语句后，存储在栈中的返回地址被调用。

栈中地址如下：此时栈中的地址与返回到调用add()函数之前的状态。

7、从栈中删除函数add()的参数

执行如下命令，将ESP+8。

ESP加8的原因可以从上一张图看出，地址12FF68与12FF6C处存储的是传递给函数add()的参数a与b。函数add()执行后，不需要参数a与b了，所以ESP+8将它们从栈中清理掉。

提示：
1、调用add()函数之前先使用push指令把参数a,b压入栈；
2、被调函数执行完毕后，函数的调用者(Caller)负责清理掉存储在栈中的参数，这种方式称为cdecl方式；
反之，被调用者(Caller)负责清理保存在栈中的参数，这种方式被称为stdcall方式。

这些函数调用规则统称为调用约定。

8、调用printf()函数

汇编指令如下：

地址401044处的 EAX 寄存器中存储着函数 add()的返回值,它是执行加法运算后的结果值3。地址40104A处的 CALL 401067命令中调用的是401067地址处的函数,它是一个 C 标准库函数 printf ,所有 C 标准库函数都由 Visual C ++编写而成(其中包含着数量庞大的函数,在此不详细介绍)。

由于上面的 printf 函数有2个参数,大小为8个字节(32位寄存器+32位常量=64位=8字节),所以在40104F地址处使用 ADD 命令,将 ESP 加上8个字节,把函数的参数从栈中删除。函数 printf()执行完毕并通过 ADD 命令删除参数后。栈内情况如下：

执行如下指令来设置返回值：

常用于寄存器的初始化操作，执行下面两条命令来对栈帧进行删除以及函数终止。

执行后栈内地址如下图：

执行完下面的命令，主函数执行完毕并返回，程序执行跳转到返回地址（401250）。该地址执行visual C++的启动函数区域。
00401056 retn

参考：《逆向工程核心原理》

看雪ID：顾忧

https://bbs.pediy.com/user-home-890008.htm

*本文由看雪论坛 顾忧 原创，转载请注明来自看雪社区

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