ucore-lab1-5堆棧練習

該篇文章爲知識總結 , 大部分的內容來自 : https://www.cnblogs.com/whileskies/p/13427861.html , 非原創

題目

練習5：實現函數調用堆棧跟蹤函數 （需要編程）
我們需要在lab1中完成kdebug.c中函數print_stackframe的實現，可以通過函數print_stackframe來跟蹤函數調用堆棧中記錄的返回地址。在如果能夠正確實現此函數，可在lab1中執行 “make qemu”後，在qemu模擬器中得到類似如下的輸出：

……
ebp:0x00007b28 eip:0x00100992 args:0x00010094 0x00010094 0x00007b58 0x00100096
    kern/debug/kdebug.c:305: print_stackframe+22
ebp:0x00007b38 eip:0x00100c79 args:0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00007ba8
    kern/debug/kmonitor.c:125: mon_backtrace+10
ebp:0x00007b58 eip:0x00100096 args:0x00000000 0x00007b80 0xffff0000 0x00007b84
    kern/init/init.c:48: grade_backtrace2+33
ebp:0x00007b78 eip:0x001000bf args:0x00000000 0xffff0000 0x00007ba4 0x00000029
    kern/init/init.c:53: grade_backtrace1+38
ebp:0x00007b98 eip:0x001000dd args:0x00000000 0x00100000 0xffff0000 0x0000001d
    kern/init/init.c:58: grade_backtrace0+23
ebp:0x00007bb8 eip:0x00100102 args:0x0010353c 0x00103520 0x00001308 0x00000000
    kern/init/init.c:63: grade_backtrace+34
ebp:0x00007be8 eip:0x00100059 args:0x00000000 0x00000000 0x00000000 0x00007c53
    kern/init/init.c:28: kern_init+88
ebp:0x00007bf8 eip:0x00007d73 args:0xc031fcfa 0xc08ed88e 0x64e4d08e 0xfa7502a8
<unknow>: -- 0x00007d72 –
……

請完成實驗，看看輸出是否與上述顯示大致一致，並解釋最後一行各個數值的含義。

知識點

    知識點總結來自 : https://www.cnblogs.com/whileskies/p/13427861.html , 非原創 

堆棧是函數運行時的內存空間，由高地址向低地址增長，ebp寄存器存儲棧底地址，esp寄存器存儲棧頂地址，始終指向棧頂元素；棧從高地址向地址增長。

入棧指令：push S，相當於R[%esp] = R[%esp] - 4; M[R[%esp]] = S
出棧指令：pop D，相當於D = M[R[%esp]]; R[%esp] = R[%esp] + 4
函數調用時主要經過以下步驟：

調用者：

• 將被調用函數的參數從右向左依次入棧
• 執行call命令，將call命令的下一條指令地址，也即返回地址，壓棧，同時跳轉到被調用函數執行
  被調用函數：
• pushl %ebp：將調用者的棧底地址入棧，便於返回到調用者繼續執行
• movl %esp, %ebp：%ebp指向當前棧頂，也即與%esp指向相同，此函數的堆棧就此建立
• 函數執行，臨時變量壓入堆棧
• movl %ebp, %esp：%esp指向該函數的棧底
• popl %ebp：將%ebp棧底指針重新指向調用者函數的棧底地址
• ret：被調用函數從棧頂彈出返回地址，返回到調用函數繼續執行
  堆棧示意圖如下所示：

+|  棧底方向     | 高位地址
 |    ...      |
 |    ...      |
 |  參數3       |
 |  參數2       |
 |  參數1       |
 |  返回地址     |
 |  上一層[ebp]  | <-------- [ebp]
 |  局部變量     |  低位地址

上面講的知識點總結可以結合上面的來說明 .

以上爲了實際上一直在講的一個東西就是 : 我們可以通過 ebp 的位移推導出入參和返回地址 , 也即是 :

ss:[ebp]處爲上一級函數的ebp地址，ss:[ebp+4]爲返回地址；
ss:[ebp + 8]爲函數第一個參數地址，ss:[ebp + 12]爲第二個參數地址；

解題

代碼

void print_stackframe(void) {

     /* LAB1 YOUR CODE : STEP 1 */
     /* (1) call read_ebp() to get the value of ebp. the type is (uint32_t);
      * (2) call read_eip() to get the value of eip. the type is (uint32_t);
      * (3) from 0 .. STACKFRAME_DEPTH
      *    (3.1) printf value of ebp, eip
      *    (3.2) (uint32_t)calling arguments [0..4] = the contents in address (uint32_t)ebp +2 [0..4]
      *    (3.3) cprintf("\n");
      *    (3.4) call print_debuginfo(eip-1) to print the C calling function name and line number, etc.
      *    (3.5) popup a calling stackframe
      *           NOTICE: the calling funciton's return addr eip  = ss:[ebp+4]
      *                   the calling funciton's ebp = ss:[ebp]
      *  
      *  這裏解釋一下爲什麼需要 eip , 我們的目的是爲了打印調用函數的堆棧信息 ， 要是知道每一層的 eip 就好了， 我們就可以知道堆棧信息 ，而如何知道
      *  eip 信息的， 一個重要的信息來自 ebp , 爲什麼？ 因爲調用函數的時候會把 “返回地址” 壓棧 
      * 
      */
    uint32_t ebp = read_ebp();
    uint32_t eip = read_eip();
    // 同樣的方法可以讀到 esp 
    // uint32_t esp = read_esp();

    // for 循環 , 向上打印堆棧信息
    for (int i = 0; i < STACKFRAME_DEPTH; i++) {
        if (ebp == 0) break;
        // 打印這兩個值
        cprintf("ebp:0x%08x eip:0x%08x ", ebp, eip);
        // 打印參數 
        cprintf("args:0x%08x 0x%08x 0x%08x 0x%08x", *(uint32_t *)(ebp + 8), 
        cprintf("\n");
        // 這裏打印的是該 eip , ebp 對應的函數名稱和代碼函數 
        print_debuginfo(eip - 1);

        // 指針要指向上一層
        eip = *(uint32_t *)(ebp + 4);  // ebp + 4 就是上一次調用的地方，即"返回地址" 
        ebp = *(uint32_t *)(ebp); //  ebp 裏面存放的是上一層的 ebp 
    }

}

首先通過函數讀取ebp、eip寄存器值，分別表示指向棧底的地址、當前指令的地址；

ss:[ebp + 8]爲函數第一個參數地址，ss:[ebp + 12]爲第二個參數地址；

ss:[ebp]處爲上一級函數的ebp地址，ss:[ebp+4]爲返回地址；

可通過指針索引的方式訪問指針所指內容。

獲取當前的eip值較爲巧妙，代碼如下：

static __noinline uint32_t
read_eip(void) {
    uint32_t eip;
    asm volatile("movl 4(%%ebp), %0" : "=r" (eip));
    return eip;
}

在調用該函數時會創建相應堆棧，通過創建函數時壓入的上一級函數返回地址來間接得到當前的eip。

參考資料

看這一個

• https://www.cnblogs.com/whileskies/p/13427861.html (有人已經完成的答案)
• https://objectkuan.gitbooks.io/ucore-docs/content/lab1/lab1_2_1_5_ex5.html (題目地址)
• https://www.cs.cmu.edu/afs/cs/academic/class/15213-f09/www/lectures/04-machine-basics.pdf (彙編語言基礎)
• https://www.one-tab.com/page/YtHf9_uyTTO4Vdi0Hd7yLw (c 調用ASM 語法 )
• http://esofar.gitee.io/cnblogs-theme-silence/#/?id=cnblogs-theme-silence(博客主題)
• http://cr.openjdk.java.net/~sundar/8022483/webrev.01/raw_files/new/src/share/classes/com/sun/tools/hat/resources/oqlhelp.html (MAT OQ 查詢語句-無關)