代码 or 指令，浅析ARM架构下的函数的调用过程

摘要：linux程序运行的状态以及如何推导调用栈。

1、背景知识

1、ARM64寄存器介绍：

2、STP指令详解（ARMV8手册）：

我们先看一下指令格式（64bit），以及指令对于寄存机执行结果的影响

类型1、STP <Xt1>, <Xt2>, [<Xn|SP>], #<imm>

将Xt1和Xt2存入Xn|SP对应的地址内存中，然后，将Xn|SP的地址变更为Xn|SP + imm偏移量的新地址

类型2、STP <Xt1>, <Xt2>, [<Xn|SP>, #<imm>]!

将Xt1和Xt2存入Xn|SP的地址自加imm对应的地址内存中，然后，将Xn|SP的地址变更为Xn|SP + imm的offset偏移量后的新地址

类型3、STP <Xt1>, <Xt2>, [<Xn|SP>{, #<imm>}]

将Xt1和Xt2存入Xn|SP的地址自加imm对应的地址内存中

手册中有三种操作码，我们只讨论程序中涉及的后两种

Pseudocode如下：

Shared decode for all encodings
integer n = UInt(Rn);
integer t = UInt(Rt);
integer t2 = UInt(Rt2);
if L:opc<0> == '01' || opc == '11' then UNDEFINED;
integer scale = 2 + UInt(opc<1>);
integer datasize = 8 << scale;
bits(64) offset = LSL(SignExtend(imm7, 64), scale);
boolean tag_checked = wback || n != 31;
Operation for all encodings
bits(64) address;
bits(datasize) data1;
bits(datasize) data2;
constant integer dbytes = datasize DIV 8;
boolean rt_unknown = FALSE;
if HaveMTEExt() then
         SetNotTagCheckedInstruction(!tag_checked);
if wback && (t == n || t2 == n) && n != 31 then
    Constraint c = ConstrainUnpredictable();
    assert c IN {Constraint_NONE, Constraint_UNKNOWN, Constraint_UNDEF, Constraint_NOP};
    case c of
        when Constraint_NONE rt_unknown = FALSE; // value stored is pre-writeback
        when Constraint_UNKNOWN rt_unknown = TRUE; // value stored is UNKNOWN
        when Constraint_UNDEF UNDEFINED;
        when Constraint_NOP EndOfInstruction();
if n == 31 then
 CheckSPAlignment();
    address = SP[];
else
    address = X[n];
if !postindex then
    address = address + offset;
if rt_unknown && t == n then
    data1 = bits(datasize) UNKNOWN;
else
    data1 = X[t];
if rt_unknown && t2 == n then
    data2 = bits(datasize) UNKNOWN;
else
    data2 = X[t2];
Mem[address, dbytes, AccType_NORMAL] = data1;
Mem[address+dbytes, dbytes, AccType_NORMAL] = data2;
if wback then
  if postindex then
        address = address + offset;
    if n == 31 then
        SP[] = address;
    else
        X[n] = address;

红色部分对应推栈的关键逻辑，其他汇编指令含义可自行参考armv8手册或者度娘。

2、一个例子

熟悉了上面的部分，接下来我们看一个实例：

C代码如下：

相关的几个函数反汇编如下（和推栈相关的一般只有入口两条指令）：

main\f3\f4\strlen

我们通过gdb运行后，可以看到strlen地方会触发SEGFAULT，引发进程挂掉

上述通过代码编译后，没有strip，因此elf文件是带着符号的

查看运行状态（info register）：关注$29、$30、SP、PC四个寄存器

一个核心的思想：CPU执行的是指令而不是C代码，函数调用和返回实际是在线程栈上面的压栈和弹栈的过程

接下来我们来看上面的调用关系在当前这个任务栈是如何玩的：

函数调用在栈中的关系（call function压栈，地址递减；return弹栈，地址递增）：

以下是推栈的过程（划重点）

再回头来看之前的汇编：

main\f3\f4\strlen

从当前的sp开始，frame 0是strlen，这块没有开栈，因此上一级的调用函数仍然是x30，因此推导：frame1调用为f3

函数f3的起始入口汇编：

(gdb) x/2i f3
   0x400600 <f3>: stp   x29, x30, [sp,#-48]!
   0x400604 <f3+4>:      mov x29, sp

可以看到，f3函数开辟的栈空间为48字节，因此，倒推frame2的栈顶为当前的sp + 48字节：0xfffffffff2c0

(gdb) x/gx 0xfffffffff2c0+8
0xfffffffff2c8:    0x000000000040065c
(gdb) x/i 0x000000000040065c
   0x40065c <f4+36>:    mov w0, #0x0                       // #0
frame2的函数为sp+8：0x000000000040065c -> <f4+36>

继续从sp = 0xfffffffff2c0倒推frame1的函数

函数f4的起始入口汇编为:

(gdb) x/2i f4
   0x400638 <f4>: stp   x29, x30, [sp,#-48]!
   0x40063c <f4+4>:      mov x29, sp

可以看到，f4函数开辟的栈空间也是为48字节，因此，倒推frame3的栈顶为当前的0xfffffffff2c0 + 48字节：0xfffffffff2f0

frame2的函数为0xfffffffff2c0 + 8：0x000000000040065c -> <f4+36>
(gdb) x/gx 0xfffffffff2f0+8
0xfffffffff2f8:    0x0000000000400684
(gdb) x/i 0x0000000000400684
   0x400684 <main+28>:       mov w0, #0x0                       // #0

因此frame3的函数为main函数，main函数对应的栈顶为0xfffffffff320

至此推导结束（有兴趣的同学可以继续推导，可以看到libc如何拉起main的过程）

总结：

推栈的关键：

• 当前的现场
• 熟悉cpu体系架构的开栈的方式

3、实战讲解

现场有如下的core：可以看到，所有的符号找不到，加载了符号表依然不好使，解析不出来实际的调用栈

(gdb) bt
#0  0x0000ffffaeb067bc in ?? () from /lib64/libc.so.6
#1  0x0000aaaad15cf000 in ?? ()
Backtrace stopped: previous frame inner to this frame (corrupt stack?)

先看info register，关注x29、x30、sp、pc四个寄存器的值

推导任务栈：

先将sp内容导出：

下图实际已先将结果标出，我们下面来详细描述如何推导

pc代表当前执行的函数指令，如果当前指令未开栈，一般情况x30代表上一级的frame调用当前函数的下一条指令，查看汇编，可以反解为如下函数

(gdb) x/i 0xaaaacd3de4fc
   0xaaaacd3de4fc <PGXCNodeConnStr(char const*, int, char const*, char const*, char const*, char const*, int, char const*)+108>: mov x27, x0

找到栈顶函数后，查看该函数的栈操作：

(gdb) x/6i PGXCNodeConnStr
   0xaaaacd3de490 <PGXCNodeConnStr(char const*, int, char const*, char const*, char const*, char const*, int, char const*)>: sub  sp, sp, #0xd0
   0xaaaacd3de494 <PGXCNodeConnStr(char const*, int, char const*, char const*, char const*, char const*, int, char const*)+4>:      stp   x29, x30, [sp,#80]
   0xaaaacd3de498 <PGXCNodeConnStr(char const*, int, char const*, char const*, char const*, char const*, int, char const*)+8>:      add  x29, sp, #0x50

可以看到，上一级的frame存在了当前的sp + 0xd0 – 0x80也就是0xfffec4cebd40 + 0xd0 – 0x80 = 0xfffec4cebd90的地方，而栈底在0xfffec4cebd40+ 0xd0 = 0xfffec4cebe10的地方

因此就找到了下一级的frame对应的栈顶和上一级的LR返回指令，反解，可以得到函数build_node_conn_str

(gdb) x/i 0x0000aaaacd414e08
   0xaaaacd414e08 <build_node_conn_str(Oid, DatabasePool*)+224>:     mov x21, x0

继续重复上述推导，可以看到这个函数build_node_conn_str开了176字节的栈，

(gdb) x/4i build_node_conn_str
   0xaaaacd414d28 <build_node_conn_str(Oid, DatabasePool*)>:     stp   x29, x30, [sp,#-176]!
   0xaaaacd414d2c <build_node_conn_str(Oid, DatabasePool*)+4>: mov x29, sp

因此继续用0xfffec4cebe10 + 176 = 0xfffec4cebec0

查看调用者0xfffec4cebe10+8为reload_database_pools

继续看reload_database_pools

(gdb) x/8i reload_database_pools
   0xaaaacd4225e8 <reload_database_pools(PoolAgent*)>:       sub   sp, sp, #0x1c0
   0xaaaacd4225ec <reload_database_pools(PoolAgent*)+4>:  adrp x5, 0xaaaad15cf000
   0xaaaacd4225f0 <reload_database_pools(PoolAgent*)+8>:   adrp x3, 0xaaaacf0ed000
   0xaaaacd4225f4 <reload_database_pools(PoolAgent*)+12>: adrp x4, 0xaaaaceeed000 <_ZN4llvm18ConvertUTF8toUTF16EPPKhS1_PPtS3_NS_15ConversionFlagsE>
   0xaaaacd4225f8 <reload_database_pools(PoolAgent*)+16>: add  x3, x3, #0x9e0
   0xaaaacd4225fc <reload_database_pools(PoolAgent*)+20>: adrp x1, 0xaaaacf0ee000 <_ZZ25PoolManagerGetConnectionsP4ListS0_E8__func__+24>
   0xaaaacd422600 <reload_database_pools(PoolAgent*)+24>:         stp   x29, x30, [sp,#-96]!

实际开栈0x220字节，因此这一层frame的栈底为0xfffec4cebec0 + 0x220 = 0xfffec4cec0e0

因此得到基本的调用关系的结构如下

以上基本可以够用来分析问题了，因此不需要再继续推导

TIPS：arm架构下一般调用都会使用这种指令，

stp x29, x30, [sp,#immediate]! 有叹号或者无叹号

因此在每一层的frame都保存了上一层frame的栈顶地址和LR指令，通过准确找到底层的frame 0栈顶后，就可以快速推导出所有的调用关系（红色虚线圈出来的部分），函数的反解依赖符号表，只要原始的elf文件的symbol段没有strip掉，是都可以找到对应的函数符号（通过readelf -S查看即可）

找到Frame后，每一层frame里面的内容，结合汇编基本就可以用来推导过程变量了。

本文分享自华为云社区《代码 or 指令，浅析ARM架构下的函数的调用过程》，原文作者：K______。

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