call和ret命令

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call main

call和ret是重要的控制转移类指令，本文将详细分析这两个指令的执行过程，从而理清C语言在调用函数过程中堆栈和寄存器的变化。

call和ret的原理

函数调用命令，使用方式为：

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call addr

等价于

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pushl %eip          # 先将当前eip保存
movl $addr, %eip    # 然后将新地址移至eip

所以每次调用call，会导致esp减小，因为要将返回地址进行保存。x86架构规定栈向下生长，一个使用call指令的例子如下：

Example instruction What it does
call 0x12345 pushl %eip
movl $0x12345, %eip
ret popl %eip
ret

函数返回命令，使用方式为：

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ret

该指令等价于

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popl %eip

调用函数的过程

下面我们以实际的调用函数的过程为例，对call和ret调用过程中堆栈和寄存器的变化进行研究。我们首先考虑无参函数，进一步扩展至有参函数。

调用无参函数的过程

考虑一个最简单的函数调用过程如下：

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// in main.c

int function1(){
    return 0;
}

int main(){
    function1();
    return 0;
}

使用下述命令对main.c进行编译：

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gcc -o build main.c -g

输入gdb进入调试界面，然后输入下面的命令载入符号表：

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(gdb) file build
Reading symbols from build...done.

载入后，启动tui调试界面，然后开启汇编和寄存器窗口：

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(gdb) tui enable
(gdb) layout asm
(gdb) layout reg

根据汇编代码，我们可以在程序的第一条指令处设置断点。

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(gdb) starti

下面我们将根据调试过程，将函数调用过程分为五个阶段，对每个阶段中栈及关键寄存器的变化进行介绍。

函数调用之前：原始栈

在调用函数之前，我们先观察调用函数的堆栈情况，根据调试结果，堆栈的结构如下：

uProf界面

此时，eip恰好位于call function1之前。

使用call命令：保存eip

调用call命令后，该命令会首先对eip进行保存，将其push到栈内，然后将新命令的地址保存至eip中。经过该操作后，栈的结构如下：

uProf界面

执行函数：建立新栈

在调用call命令后，我们进入被调用函数中，开始执行被调用函数。在被调用函数中，第一个工作就是创建新栈，命令如下：

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push %ebp
mov %esp, %ebp

将旧的栈基址保存，然后将新栈基址设置为当前esp，经过该操作后，新的栈生成：

uProf界面

即将从函数返回：销毁新栈

在函数调用过程中，栈也会随着局部变量的添加而增长，这里我们不关心栈中局部变量的创建和销毁过程，只关注被调用函数返回的前一时刻，我们需要对被调用函数的栈进行销毁，命令如下：

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pop %ebp

uProf界面

现在，esp寄存器指向了保存旧的eip的位置，被调用函数的堆栈已经销毁，程序只需要将eip弹出，即可恢复调用程序的堆栈，同时从调用函数中中断的位置继续执行。

使用ret命令：恢复eip

最后，被调用函数执行ret指令，将eip从堆栈中恢复，实际就是pop %eip，在该操作之后，堆栈的结构如下：

uProf界面

在执行完成上面的命令之后，两个堆栈之间用于保存eip的这一小段空间也被销毁，现在程序状态已经回到了调用函数之前，将会从被中断的地方继续执行。

调用有参函数的过程

参考文献

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