递归期间的堆栈帧外观。 C 与汇编

Question

我只是在学习汇编中的函数和堆栈框架等等，所以我一直在查看 gdb 中的堆栈框架，因为我运行了一个递归算法来看看会发生什么。

如果我在 C 中运行一些递归代码，堆栈看起来就像我期望的那样 - 每次调用函数时堆栈上的一个对象。在递归阶乘函数的最低递归级别，堆栈帧如下所示：（这是 gdb 中的回溯，在函数的第一行有一个断点。）

(gdb) bt
#0  factorial (n=1) at recursion.c:20
#1  0x00005555555551c7 in factorial (n=2) at recursion.c:21
#2  0x00005555555551c7 in factorial (n=3) at recursion.c:21
#3  0x00005555555551c7 in factorial (n=4) at recursion.c:21
#4  0x00005555555551c7 in factorial (n=5) at recursion.c:21
#5  0x00005555555551c7 in factorial (n=6) at recursion.c:21
#6  0x00005555555551c7 in factorial (n=7) at recursion.c:21
#7  0x00005555555551c7 in factorial (n=8) at recursion.c:21
#8  0x00005555555551c7 in factorial (n=9) at recursion.c:21
#9  0x00005555555551c7 in factorial (n=10) at recursion.c:21
#10 0x000055555555517f in main (argc=2, args=0x7fffffffe768) at recursion.c:13

我的 C 代码是这样的：

int factorial (int n)
{   
    if (n <= 1) return 1;
    return n * factorial(n-1);
}

现在我在汇编中做同样的事情（我从 Rey Seyfarth 的“64 位汇编编程简介”一书中复制了这段代码，所以我假设它是正确的）并且，无论递归的深度如何，堆栈帧看起来像这个：（第 50 行是call fact 行）。

(gdb) bt
#0  fact () at fact.asm:40
#1  0x00000000004011a8 in greater () at fact.asm:50
#2  0x0000000000000000 in ?? ()

阶乘函数的代码是这样的——这种情况下的断点在sub rsp, 16这一行：

fact:                                   ; recursive function
n       equ     8

        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16                 ; make room for n
        cmp     rdi, 1                  ; end recursion if n=1
        jg      greater
        mov     eax, 1
        leave
        ret

greater:
        mov     [rsp+n], rdi            ; save n
        dec     rdi                     ; call fact with n-1
        call    fact
        mov     rdi, [rsp+n]            ; restore original n
        imul    rax, rdi
        leave
        ret

事实上，在这种情况下，回溯的输出真的让我很困惑。如果我在调用事实函数（dec rdi）之前将断点放在行上，那么结果通常是这样的：

(gdb) bt
#0  greater () at fact.asm:49
#1  0x0000000000000000 in ?? ()

但事实上，第五次调用是这样的：

(gdb) bt
#0  greater () at fact.asm:49
#1  0x00007ffff7f94be0 in ?? () from /usr/lib/libc.so.6
#2  0x0000000000000006 in ?? ()
#3  0x00007fffffffe5f0 in ?? ()
#4  0x00000000004011a8 in greater () at fact.asm:50
#5  0x0000000000000000 in ?? ()

然后在第七次通话中，这个：

(gdb) bt
#0  greater () at fact.asm:49
#1  0x0000003000000008 in ?? ()
#2  0x0000000000000004 in ?? ()
#3  0x00007fffffffe5b0 in ?? ()
#4  0x00000000004011a8 in greater () at fact.asm:50
#5  0x0000000000000000 in ?? ()

我的问题：

1. 为什么堆栈的行为与 C 中的不同？

2. 为什么我偶尔会得到最后一个看似垃圾的输出？

谢谢！

Answer 1

为什么堆栈的行为与 C 中的不同？

堆栈本身的行为完全相同相同 -- 处理器并不关心程序是编译的 C 程序还是手写的程序集。

不表现相同的是 GDB 对堆栈的解释。

在x86_64（不同于SPARC）上，不可能正确展开堆栈，除非您知道当前调用堆栈链中的每个函数是如何调整它的。

GDB 使用展开描述符，编译器正是为此目的将其写入输出。这是一个blog post 解释展开过程。

您的 C 程序有展开描述符（使用 readelf -wf a.out 查看它们），但您的汇编程序没有。

为什么我偶尔会得到最后一个看似垃圾的输出？

在没有展开描述符的情况下，GDB 会尝试应用启发式方法尽可能地做到最好，并在遇到无法向上移动的堆栈级别时放弃。发生这种情况的确切位置取决于堆栈内容，但实际上并不重要：GDB 正在有效地查看垃圾数据（因为它不知道在哪里正确查看）。

附：你可以用少量的CFI directives 来扩充你的汇编程序来创建适当的展开描述符，然后 GDB 会很高兴地处理它，除了它看起来像 YASM doesn't support CFI。将程序集重写为 GAS 语法，然后在其中添加 CFI 指令当然是微不足道的。