图解函数调用过程

函数调用是编程语言都有的概念，也许你听说过函数调用栈，但是大家都知道函数调用是如何完成的吗？我们为什么要了解这个过程:

1. 对于程序运行机制中的数据结构和实现的了解，对自己开发程序有着启发作用

2. 碰到一些疑难杂症的时候，比如函数栈溢出了或者函数栈破坏了，如何从蛛丝马迹中寻找问题的原因。

3. 了解栈溢出可能带来的危害，黑客也许会利用栈溢出的漏洞进行攻击。

这篇博文我们一起来对函数调用的过程进行探究。

程序样例

下面是这篇博文要用到的一个样例程序：程序在main中调用了FunAdd函数。本篇就先来研究一下：

1. 函数的参数存放在哪里？

2. 函数调用是如何发生的？

3. 函数的返回值是如何返回的？

4. FuncAdd调用完成后，程序为什么知道继续顺序执行main中的代码的？

#include <stdio.h>
#include <iostream>

int FunAdd(int iPara1, int iPara2)
{
  int iAdd = 7;
  int iResult = iPara1 + iPara2 + iAdd;
  return iResult;
}

int main()
{
  int iVal1 = 5;
  int iVal2 = 6;
  int iRes = FunAdd(iVal1, iVal2);
  printf("iRes: %d\n", iRes);
  return 0;
}

图解函数调用栈

函数调用栈的基本知识：

1. 每个线程都有一个自己的函数调用栈

2. 栈也是程序申请的一段内存，随着栈的使用而增长。而一般编译的时候也可以指定编译选项设置栈最大值。如果递归调用层数太深，会导致栈溢出。

3. 在系统中程序执行的时候栈都是从高地址往低地址增长的

4. 函数参数压栈，一般从右向左压栈（比如__cdecl函数调用约定）

5. EIP寄存器存储当前执行指令的内存位置

6. EBP寄存器表明当前栈帧的栈底

7. ESP寄存器表明当前栈帧的栈顶

后面将进入详细的函数调用过程讲解，这里会涉及到少量的Intel汇编。
第一步 这一行源码int iRes = FunAdd(iVal1, iVal2);,对应的汇编如下:

//iVal2存储在当前栈ebp-4的位置
//iVal2的值读取到eax，并且压栈
mov     eax,dword ptr [ebp-4]
push    eax

//iVal1存储在当前栈ebp-8的位置
//iVal1的值读取到eax，并且压栈
mov     ecx,dword ptr [ebp-8]
push    ecx

//调用call指令调用函数FunAdd
call    StackResearch!FunAdd (000f1000)

//后面进行解释
add     esp,8
mov     dword ptr [ebp-0Ch],eax

根据上面的汇编解释，将iVal2和iVal1的值作为函数参数依次压栈(参数从右向左)，而call指令除了调用FunAdd还有一个隐含的操作，就是将下一条指令的地址压栈(这条指令地址就是add esp,8的地址, 一般也称为Return Address)， 这个用于FunAdd函数返回的时候知道接着应该执行哪条指令。
此时的栈帧应该如下图所示:

第二步 开始执行FunAdd，函数的汇编和解释如下:

push    ebp
mov     ebp,esp
sub     esp,8
mov     dword ptr [ebp-4],7
mov     eax,dword ptr [ebp+8]
add     eax,dword ptr [ebp+0Ch]
add     eax,dword ptr [ebp-4]
mov     dword ptr [ebp-8],eax
mov     eax,dword ptr [ebp-8]
mov     esp,ebp
pop     ebp
ret

这里我们将汇编指令拆分进行讲解，便于理解。
步骤2.1 记录原先的栈底EBP (一般称作Child EBP), 即将main的EBP压栈。

push    ebp

步骤2.2 修改栈底，将当前ESP设置为EBP，切换到当前函数FunAdd的栈帧。

mov     ebp,esp

步骤2.3 将ESP减去8，即栈增长8个字节（记住栈是从高地址往低地址增长的）这个操作就等于在栈上申请了8个字节的空间，为什么是8个字节呢？这8个字节正是用于存储iAdd 和iResult(int默认四个字节)。

sub     esp,8

此时的栈帧如图：

步骤2.4 EBP-4地址则存放着iAdd，这个表明将iAdd初始化为7

mov     dword ptr [ebp-4],7

步骤2.5 EBP+8地址存储的值对应着iPara1，EBP+0Ch地址存储的值对应着iPara2, EBP-4地址则存放着iAdd，通过EAX寄存器，对三个值进行相加(iPara1 + iPara2 + iAdd)并且储存在EAX寄存器。

mov     eax,dword ptr [ebp+8]
add     eax,dword ptr [ebp+0Ch]
add     eax,dword ptr [ebp-4]

步骤2.6 EBP-8地址则存放着iResult，将步骤2.5中求和的结果从EAX中读取存放到iResult

mov     dword ptr [ebp-8],eax

步骤2.7 怎么和步骤2.6反过来了一次? 这是因为EAX寄存器用来存储返回值,即将iResult的值存入EAX寄存器。（本人为了将整个过程比较好的呈现，关闭了优化选项）

mov     eax,dword ptr [ebp-8]

步骤2.8 返回值准备好了，现在准备修改栈帧了。还记得在步骤2.1中将Child EBP的值（即main函数的EBP）保存在当前栈帧FunAdd的栈底不？此时将ESP指向栈底，然后执行pop ebp恢复原先的main函数栈帧。

mov     esp,ebp
pop     ebp

步骤2.9 此时的ESP指向的值正是在第一步中保存的Return Address，即FunAdd调用后的下一条指令。ret指令将ESP指向的值存储到EIP,并且暗含的将ESP+4，将栈顶缩小四个字节。
此时读者想一想，如果函数存在栈溢出的漏洞，黑客是否可以覆盖Return Address为恶意代码的执行地址呢？这样就会跳转到恶意代码的执行地址。

ret

此时FunAdd函数调用完毕，函数栈帧如下图所示：

但还有些事情没有完成：栈上还存在着调用FunAdd入栈的两个参数，返回值还没有获取。

第三步 还记得第一步中还有两个指令没有讲解吗？

add     esp,8
mov     dword ptr [ebp-0Ch],eax

首先调用add esp, 8即将栈顶去除八个字节，而这8个字节正是用来存储FunAdd入栈参数的。因为本人编译的时候函数约定默认采用的__cdecl, 所以由调用函数main来清理入栈的函数参数。
EBP-0Ch地址存储的是iRes，从第二步中可知，将返回结果存储在EAX, mov dword ptr [ebp-0Ch],eax将返回结果存储到iRes中。

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