Stack pointer / Frame pointer 在 x86 Assembly 操作的簡易分析

這幾天在複習 compiler 有關 runtime environment 的章節，讀到 activation record 的時候發現對 frame pointer 的概念有點忘記了，於是就決定來做一點小實驗。

Toy example

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int foo(int a, int b) {
    int x, y;
    x = 123;
    y = a + b;
    return y;
}

int main() {
    foo(111, 222);
}

x86 Assembly

把 assembly 編出來看一下 stack 操作的過程：

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$ gcc -S -m32 test.c

可以拿到：

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	.file	"test.c"
	.text
	.globl	foo
	.type	foo, @function
foo:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	pushl	%ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	movl	%esp, %ebp
	.cfi_def_cfa_register 5
	subl	$16, %esp
	movl	$123, -4(%ebp)
	movl	8(%ebp), %edx
	movl	12(%ebp), %eax
	addl	%edx, %eax
	movl	%eax, -8(%ebp)
	movl	-8(%ebp), %eax
	leave
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret
	.cfi_endproc
.LFE0:
	.size	foo, .-foo
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
.LFB1:
	.cfi_startproc
	pushl	%ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	movl	%esp, %ebp
	.cfi_def_cfa_register 5
	pushl	$222
	pushl	$111
	call	foo
	addl	$8, %esp
	movl	$0, %eax
	leave
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret
	.cfi_endproc
.LFE1:
	.size	main, .-main
	.ident	"GCC: (GNU) 10.2.1 20201125 (Red Hat 10.2.1-9)"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits

把一些不重要的資訊精簡後，可以得到：

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foo:
	pushl	%ebp
	movl	%esp, %ebp
	subl	$16, %esp
	movl	$123, -4(%ebp)
	movl	8(%ebp), %edx
	movl	12(%ebp), %eax
	addl	%edx, %eax
	movl	%eax, -8(%ebp)
	movl	-8(%ebp), %eax
	leave
	ret
main:
	pushl	%ebp
	movl	%esp, %ebp
	pushl	$222
	pushl	$111
	call	foo
	addl	$8, %esp
	movl	$0, %eax
	leave
	ret

Analysis

Before foo

一開始在 main 被呼叫前，會在 glibc 的 _start function 內，假設 SP 現在指到 0x1924 FP 指在 0x2000
接著保存 FP 的位址，將 FP 指到新的 SP 的位址
將 foo 要的參數 push 進 stack
呼叫 foo，保存 return address 在 stack

foo

進到 foo
保存 main 的 FP 的位址，將 FP 指到新的 SP 的位址
SP - 16
算 x 與 y，透過 FP 拿到 local variables 的位址
將 return value 保存在 %eax
leave 將 SP 指回 FP，並 pop，FP 回到 main 原先呼叫的位址

After foo

回到 main
SP 指向 FP 的位址
leave 將 SP 指回 FP，並 pop，FP 回到 _start 原先呼叫的位址