В предыдущих материалах мы рассмотрели размещение программы в памяти – одну из центральных концепций, касающихся выполнения программ на компьютерах. Теперь обратимся к стеку вызовов – рабочей лошадке большинства языков программирования и виртуальных машин. Нас ожидает знакомство с удивительными вещами вроде функций-замыканий, переполнений буфера и рекурсии. Однако всему свое время – в начале нужно составить базовое представление о том, как работает стек.
Стек имеет такое важное значение, потому что благодаря ему любая функция «знает» куда возвращать управление после завершения; функция же, в свою очередь — это базовый строительный блок программы. Вообще, программы внутренне устроены довольно просто. Программа состоит из функций, функции могут вызывать другие функции, в процессе своей работы любая функция помещает данные в стек и снимает их оттуда. Если нужно, чтобы данные продолжили существовать после завершения функции, то место под них выделяется не в стеке, а в куче. Вышесказанное в равной степени относится как к программам, написанным на относительно низкоуровневом C, так и к интерпретируемым языкам вроде JavaScript и C#. Знание данных вещей обязательно пригодится — и если придется отлаживать программу, и если доведется заниматься тонкой подстройкой производительности, да и просто для того, чтобы понимать, что же там, все-таки творится внутри программы.
Итак, начнем. Как только мы вызываем функцию, в стеке для нее создается стековый кадр. Стековый кадр содержит локальные переменные, а также аргументы, которые были переданы вызывающей функцией. Помимо этого кадр содержит служебную информацию, которая используется вызванной функцией, чтобы в нужный момент возвратить управление вызвавшей функции. Точное содержание стека и схема его размещения в памяти могут быть разными в зависимости от процессорной архитектуры и используемой конвенции вызова. В данной статье мы рассматриваем стек на архитектуре x86 с конвенцией вызова, принятой в языке C (cdecl). На рисунке вверху изображен стековый кадр, разместившийся у верхушки стека.
Сразу бросаются в глаза три процессорных регистра. Указатель стека, esp, предназначается для того, чтобы указывать на верхушку стека. Вплотную к верхуше всегда находится объект, который был добавлен в стек, но еще оттуда не снят. Точно также в реальной жизни обстоят дела со стопкой тарелок или пачкой 100-долларовых банкнот.
Хранимый в регистре esp адрес изменяется по мере того, как объекты добавляются и снимаются со стека, однако он всегда указывает на последний добавленный и еще не снятый со стека объект. Многие процессорные инструкции изменяют значение регистра esp как побочный результат своего выполнения. Реализовать работу со стеком без регистра esp было бы проблематично.
В случае с процессорами Intel, ровно как и со многими другими архитетурами, стек растет в направлении меньших адресов памяти. Поэтому верхушка, в данном случае, соответствует наименьшему адресу в стеке, по которому хранятся валидные используемые данные: в нашем случае это переменная local_buffer. Думаю, должно быть понятно, что означает стрелка от esp к local_buffer. Здесь все, как говорится, по делу – стрелка указывает точно на первый байт, занимаемый local_buffer, и это соответствует тому адресу, который хранится в регистре esp.
Далее на очереди еще один регистр, используемый для отслеживания позиций в стеке – регистр ebp – базовый указатель или указатель базы стекового кадра. Данный регистр предназначен для того, чтобы указывать на позицию в стековом кадре. Благодаря регистру ebp текущая функция всегда имеет своего рода точку отсчёта для доступа к аргументам и локальным переменным. Хранимый в регистре адрес изменяется, когда функция начинает или прекращает выполнение. Мы можем довольно просто адресовать любой объект в стековом кадре как смещение относительно ebp, что и показано на рисунке.
В отличии от esp, манипуляции с регистром ebp осуществляется в основном самой программой, а не процессором. Иногда можно добиться выигрыша в производительности просто отказавшись от страндартного использования регистра ebp – за это отвечают некоторые флаги компилятора. Ядро Linux – пример того, где используется такой прием.
Наконец, регистр eax традиционно используется для хранения данных, возвращаемых вызвавшей функции — это высказывание справедливо для большинства поддерживаемых в языке C типов.
Теперь давайте разберем данные, содержащиеся в стековом кадре. Рисунок показывает точное побайтовое содержимое кадра, c направлением роста адресов слево-направо – это то, что мы обычно видим в отладчике. А вот и сам рисунок:
Локальная переменная local_buffer – это массив байт, представляющий собой нуль-терминированную ASCII-строку; такие строки — неизменный атрибут всех программ на C. Размер строки — 7 байт, и, скорее всего, она была получена в результате клавиатурного ввода или чтения из файла. В нашем массиве может храниться 8 байт и, следовательно, один байт остается неиспользуемым. Значение этого байта неизвестно. Дело в том, что, данные то и дело добавлются и снимаются со стека, и в этом «бесконечном танце операции добавления и снятия» никогда нельзя знать заранее, что содержит память, пока не осуществишь в нее запись. Компилятор языка C не обременяет себя тем, чтобы иницилизировать стековый кадр нулями. Поэтому содержащиеся там данные заранее неизвестны и являются в некоторой степени случайными. Уж сколько крови попило такое поведение компилятора у программистов!
Идем далее. local1 – 4-байтовое целое число, и на рисунке видно содержимое каждого байта. Кажется, что это большое число – только взгляните на все эти нули после восьмерки, однако здесь наша интуиция сослужила нам дурную службу.
Процессоры Intel используют прямой порядок байтов (дословно «остроконечный»), и это значит, что числа хранятся в памяти начиная с младшего байта. Иными словами, самый младший значащий байт хранится в ячейке памяти с наименьшим адресом. На рисунках и схемах байты многобайтовых чисел традиционно изображаются в порядке слева-направо. В случае с прямым порядком байт, самый младший значащий байт будет изображен в крайней левой позиции, что отличается от привычного нам способа представления и записи чисел.
Неплохо знать о том, что вся эта «остроконечная / тупоконечная» терминология восходит к произведению Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера». Подобно тому, как жители Лилипутии чистили яйцо с острого конца, процессоры Intel тоже обрабатывают числа начиная с младшего байта.
Таким образом, переменная local1 в действительности хранит число 8 (да-да, прям как количество щупалец у осьминога). Что касается param1, то там во втором от начала октете изображена двойка, поэтому в результате получаем число 2 * 256 = 512 (мы умножаем на 256, потому что каждый октет – это диапазон от 0 до 255). param2 хранит число 1 * 256 * 256 = 65536.
Служебная информация стекового кадра включает в себя два компонента: адрес стекового кадра вызвавшей функции (на рисунке — saved ebp) и адрес инструкции, куда необходимо передать управление по завершении данной функции (на рисунке – return address). Эта информация делает возможным возвращение управления, и следовательно, дальнейшее выполнение программы как будто никакого вызова и не было.
Теперь давайте рассмотрим процесс «рождения» стекового кадра. Стек растет не в том направлении, которое обычно ожидают увидеть, и сначала это может сбивать с толку. Например, чтобы увеличить стек на 8 байт, программист вычитает 8 из значения, хранимого в регистре esp. Вычитание – странный способ что-либо увеличить. Забавно, не правда ли!
Возьмем для примера простенькую программу на C:
Предположим, программу запустили без параметров в командной строке. При выполнении «сишной» программы в Linux, первым делом управление получает код, содержащийся в стандартной библиотеке C. Этот код вызовет функцию main() нашей программы, и, в данном случае, переменная argc будет равна 0 (на самом деле, переменная будет равна «1», что соответствует параметру — названию, под которым запущена программа, но давайте для простоты это момент сейчас опустим). При вызове функции main() происходит следующее:
Шаг 2 и 3, а также 4 (описан ниже) соответствуют последовательности инструкций, которая называется «прологом» и встречается практически в любой функции: текущее значение регистра ebp помещается в стек, затем значение регистра esp копируется в регистр ebp, что фактически приводит к созданию нового стекового кадра. Пролог функции main() такой же, как и других функций, с той лишь разницей, что при начале выполнения программы регистр ebp содержит нули.
Если взглянуть на то, что располагается в стеке под argc, то будут видны еще некоторые данные – указатель на строку-название, под которым программа была запущена, указатели на строки-параметры, переданные через командную строку (традиционный C-массив argv), а также указатели на переменные среды и непосредствено сами эти переменные. Однако, на данном этапе нам это не особо важно, так что продолжаем двигаться по направлению к вызову функции add():
Функция main() сначала вычетает 12 из текущего значения в регистре esp для выделения нужного ей места и затем присваивает значения переменным a и b. Значения, хранимые в памяти, изображены на рисунке в шестнадцатеричной форме и с прямым порядком байтов – как и в любом отладчике. После присвоения значений, функция main() вызывает функцию add(), и та начинает выполняться:
Чем дальше, тем интересней! Перед нами еще один пролог, однако теперь уже четко видно как последовательность стековых кадров в стеке оказывается организованной в связный список, и регистр ebp хранит ссылку на первый элемент этого списка. Вот с опорой на это и реализованы трассировка стека в отладчиках и Exception-объекты высокоуровневых языков. Обратим внимание на типичную для начала выполнения функции ситуацию, когда регистры ebp и esp указывают в одно и то же место. И еще раз вспомним, что для наращивания стека осуществляется вычитание из значения, хранящегося в регистре esp.
Важно заметить следующее — при копировании данных из регистра ebp в память происходит непонятное на первый взгляд изменение порядка хранения байтов. Дело в том, что для регистров такого понятия как «порядок байтов» не существует. Иными словами, рассматривая регистр, мы не можем говорить о том, что в нем есть «старшие или младшие адреса». Поэтому отладчики показывают значения, хранимые в регистрах, в наиболее удобном для человеческого восприятия виде: от более значимых к менее значимым цифрам. Таким образом, имея стандартную нотацию «слева-направо» и «little-endian» машину, создается обманчивое впечатление, что в результате операции копирования из регистра в память байты поменяли порядок на обратный. Я хотел, чтобы картина, показанная на рисунках была максимально приближена к реальности – отсюда и такие рисунки.
Теперь, когда самая сложная часть у нас позади, осуществляем сложение:
Здесь у нас появляется неизвестный регистр, чтобы помочь со сложением, но в целом ничего особенного или удивительного. Функция add() выполняет вою работу и, начиная с этого момента все действия в стеке будут осуществляться в обратном порядке. Но об этом расскажем как-нибудь в другой раз.
Все, кто дочитал до этих строк, заслуживает подарок за стойкость, поэтому я с огромной гиковской гордостью презентую Вам вот эту единую схемку, на которой изображены все вышеописанные шаги.
Не так уж все и сложно, стоит только разложить все по полочкам. Кстати, маленькие квадратики очень сильно помогают понимаю. Без «маленьких квадратиков» в информатике вообще никуда. Надеюсь, мои рисунки позволили составить ясную картину происходящего, на которой интуитивно просто показан и рост стека, и изменения содержимого памяти. При ближайшем рассмотрении, наше программное обеспечение не так уж и сильно отличается от простой машины Тьюринга.
На этом завершается первая часть нашего путешествия по стеку. В будущих статьях нас ждут новые погружения в «байтовые» дебри, после чего посмотрим, что же на этом фундаменте способны выстроить высокоуровневые языки программирования. Увидимся на следующей неделе.
Материал подготовлен сотрудниками компании Smart-Soft
smart-soft.ru
