Linux下程序的机器级表示学习心得

Linux下程序的机器级表示学习心得

上周学习完Linux程序的机器级表示后，对于其中有些还是掌握的不太透彻。对于老师提出的关于本章一些细节的问题还是有不会，所以又重新温习了一下上周的学习内容，以下为学习心得。

分析反汇编

操作过程

• 分析反汇编采用了书上的一个简单案例。C语言代码如下。

    	int a(int x)
    	{ 
    		 returnx+1;
    	}
  
    	int b(int x)
    	{
  			return a(x);
        }
  
    		int main (void)
    	{
    		return b(8)+14;
    	}
  

• 使用vim编辑器编译代码main.c。
  

• 使用命令gcc -S main.c -o main.s得到汇编代码。（此时的汇编代码有以.开头的代码，删除它们之后就是正常书中给出的汇编代码。

• 得到的汇编代码
  

• 使用gdb的bt/frame/up/down指令动态查看调用线帧的情况。
  
  

分析

• 从main:开始执行,保存帧指针%ebp，并设置新的帧指针

• pushl $8分配4字节的栈空间,并且设置arg1=8

• 调用b:call b

• b同样初始化帧指针，分配栈空间，和之前的main函数相同

• pushl 8(%ebp)将%esp中的立即数8存入栈中

• 调用a:call a

• a被调用，初始化栈指针，分配栈空间

• 将 %eax 与立即数 1 相加

• 在a结束前弹栈

• ret返回b中call的调用位置

• b也结束，return返回main中call调用的位置

• main继续 %eax 加14的操作

• leave为返回准备栈，相当于%ebp出栈,最后ret结束

即：调用者P和被调用者Q，则Q的参数放在P的栈帧中，当P调用Q的时候，P中的返回地址被压入栈中，形成P的栈帧末尾。返回地址就是当程序从Q返回时应继续执行的地方，Q栈帧从保存的帧指针的值开始后是保存其他寄存器的值。

结合backtrace命令分析栈帧

• 首先backtrace/bt用来打印栈帧指针，也可以在该命令后加上要打印的栈帧的个数，查看程序执行到此时，是经过哪些函数呼叫的程序，程序“调用堆栈”是当前函数之前的所有已调用函数的列表（包括当前函数）。每个函数及其变量都分配了一个“帧”，最近调用的函数在0号帧中（“底部”帧）

• 命令有

       - `fame farme1 `用于打印指定栈帧
       - ` info reg `查看寄存器使用情况
       - ` info stack` 产看堆栈使用情况
       -  `up/down` 跳到上一层/下一层函数
  

• 综述：

      - 先将调用者（A）的堆栈的基址（`%ebp`）入栈，以保存之前任务的信息。
  
      - 然后将调用者（A）的栈顶指针（`%esp`）的值赋给`%ebp`，作为新的基址（即被调用者B的栈底）。
  
      - 然后在这个基址（被调用者B的栈底）上开辟（一般用sub指令）相应的空间用作被调用者B的栈空间。
  
      - 函数B返回后，从当前栈帧的%ebp即恢复为调用者A的栈顶（`%esp）`，使栈顶恢复函数B被调用前的位置；然后调用者A再从恢复后的栈顶可弹出之前的%ebp值（可以这么做是因为这个值在函数调用前一步被压入堆栈）。这样，`%ebp`和`%esp`就都恢复了调用函数B前的位置，也就是栈恢复函数B调用前的状态。这样就解释了栈帧的出现和消失
  

  这个过程在AT&T汇编中通过两条指令完成，即：leave、ret。这两条指令更直白点就相当于：mov %ebp , %esp 、pop %ebp

• 下面我们使用GDB调试main.c的代码，使用刚才编译好的main镜像。
  - gdb start （启动gdb）
  - (gdb) file main （加载镜像文件）
  - (gdb) break main （把main()设置为断点，注意gdb并没有把断点设置在main的第一条指令，而是设置在了调整栈指针为局部变量保留空间之后）
  - (gdb) run （运行程序）
  - (gdb) stepi （单步执行，stepi命令执行之后显示出来的源代码行或者指令地址，注意：都是即将执行的指令，而不是刚刚执行完的指令！对于更复杂的例子会有明显的变化）

利用gdb对寄存器进行分析

通过gdb调试可执行文件查看%eip, %ebp, %esp 等寄存器内容如何变化。

• 在linux中gdb调试汇编文件需要先用gcc -g3 -o * *.c的命令来将c语言文件编译成可调试汇编的可执行文件。

• 通过调试过程中的stepi和print /x $***可以查询到相应寄存器的内容：

• 根据之前的main函数逐步使用上面的代码，可以获得不同寄存器的变化。

| number | %eax寄存器变化| %esp寄存器变化|%ebp寄存器变化时间|

| -----------| :-----------：|:------------：|:---------------：|

| 1 | Ox4004fc | Oxffffde18 | Oxffffde20

| 2 | Ox4004fc | Oxffffde18 | Oxffffde20

| 3 | Ox8 | Oxffffde18 | Oxffffde20

| 4 | Ox8 | Oxffffde18 | Oxffffde20

| 5 | Ox8 | Oxffffde10 | Oxffffde20

| 6 | Ox8 | Oxffffde08 | Oxffffde20

| 7 | Ox8 | Oxffffde08 | Oxffffde08

| 8 | Ox8 | Oxffffde08 | Oxffffde08

| 9 | Ox8 | Oxffffde08 | Oxffffde08

| 10 | Ox9 | Oxffffde08 | Oxffffde08

| 11 | Ox9 | Oxffffde10 | Oxffffde20

| 12 | Ox9 | Oxffffde18 | Oxffffde20

| 13 | Ox9 | Oxffffde28 | Oxffffde30

| 14 | Ox9 | Oxffffde30 | Oxffffde30

| ... | ... | ... | ...

• 如果想观察三个寄存器的每一步的变化配合gdb stepi可以重复上述步骤。

• 部分过程截图。
  

• 由上图可以看到三个寄存器的初始值
  

• 由上图可以看到三个寄存器在执行完第一条指令之后的内容的变换

  注意：在64位中rip就是eip，rbp就是ebp，rsp就是。