ucore-lab1-5堆栈练习

该篇文章为知识总结 , 大部分的内容来自 : https://www.cnblogs.com/whileskies/p/13427861.html , 非原创

题目

练习5：实现函数调用堆栈跟踪函数 （需要编程）
我们需要在lab1中完成kdebug.c中函数print_stackframe的实现，可以通过函数print_stackframe来跟踪函数调用堆栈中记录的返回地址。在如果能够正确实现此函数，可在lab1中执行 “make qemu”后，在qemu模拟器中得到类似如下的输出：

……
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 –
……

请完成实验，看看输出是否与上述显示大致一致，并解释最后一行各个数值的含义。

知识点

    知识点总结来自 : https://www.cnblogs.com/whileskies/p/13427861.html , 非原创 

堆栈是函数运行时的内存空间，由高地址向低地址增长，ebp寄存器存储栈底地址，esp寄存器存储栈顶地址，始终指向栈顶元素；栈从高地址向地址增长。

入栈指令：push S，相当于R[%esp] = R[%esp] - 4; M[R[%esp]] = S
出栈指令：pop D，相当于D = M[R[%esp]]; R[%esp] = R[%esp] + 4
函数调用时主要经过以下步骤：

调用者：

• 将被调用函数的参数从右向左依次入栈
• 执行call命令，将call命令的下一条指令地址，也即返回地址，压栈，同时跳转到被调用函数执行
  被调用函数：
• pushl %ebp：将调用者的栈底地址入栈，便于返回到调用者继续执行
• movl %esp, %ebp：%ebp指向当前栈顶，也即与%esp指向相同，此函数的堆栈就此建立
• 函数执行，临时变量压入堆栈
• movl %ebp, %esp：%esp指向该函数的栈底
• popl %ebp：将%ebp栈底指针重新指向调用者函数的栈底地址
• ret：被调用函数从栈顶弹出返回地址，返回到调用函数继续执行
  堆栈示意图如下所示：

+|  栈底方向     | 高位地址
 |    ...      |
 |    ...      |
 |  参数3       |
 |  参数2       |
 |  参数1       |
 |  返回地址     |
 |  上一层[ebp]  | <-------- [ebp]
 |  局部变量     |  低位地址

上面讲的知识点总结可以结合上面的来说明 .

以上为了实际上一直在讲的一个东西就是 : 我们可以通过 ebp 的位移推导出入参和返回地址 , 也即是 :

ss:[ebp]处为上一级函数的ebp地址，ss:[ebp+4]为返回地址；
ss:[ebp + 8]为函数第一个参数地址，ss:[ebp + 12]为第二个参数地址；

解题

代码

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]
      *  
      *  这里解释一下为什么需要 eip , 我们的目的是为了打印调用函数的堆栈信息 ， 要是知道每一层的 eip 就好了， 我们就可以知道堆栈信息 ，而如何知道
      *  eip 信息的， 一个重要的信息来自 ebp , 为什么？ 因为调用函数的时候会把 “返回地址” 压栈 
      * 
      */
    uint32_t ebp = read_ebp();
    uint32_t eip = read_eip();
    // 同样的方法可以读到 esp 
    // uint32_t esp = read_esp();

    // for 循环 , 向上打印堆栈信息
    for (int i = 0; i < STACKFRAME_DEPTH; i++) {
        if (ebp == 0) break;
        // 打印这两个值
        cprintf("ebp:0x%08x eip:0x%08x ", ebp, eip);
        // 打印参数 
        cprintf("args:0x%08x 0x%08x 0x%08x 0x%08x", *(uint32_t *)(ebp + 8), 
        cprintf("\n");
        // 这里打印的是该 eip , ebp 对应的函数名称和代码函数 
        print_debuginfo(eip - 1);

        // 指针要指向上一层
        eip = *(uint32_t *)(ebp + 4);  // ebp + 4 就是上一次调用的地方，即"返回地址" 
        ebp = *(uint32_t *)(ebp); //  ebp 里面存放的是上一层的 ebp 
    }

}

首先通过函数读取ebp、eip寄存器值，分别表示指向栈底的地址、当前指令的地址；

ss:[ebp + 8]为函数第一个参数地址，ss:[ebp + 12]为第二个参数地址；

ss:[ebp]处为上一级函数的ebp地址，ss:[ebp+4]为返回地址；

可通过指针索引的方式访问指针所指内容。

获取当前的eip值较为巧妙，代码如下：

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

在调用该函数时会创建相应堆栈，通过创建函数时压入的上一级函数返回地址来间接得到当前的eip。

参考资料

看这一个

• https://www.cnblogs.com/whileskies/p/13427861.html (有人已经完成的答案)
• https://objectkuan.gitbooks.io/ucore-docs/content/lab1/lab1_2_1_5_ex5.html (题目地址)
• https://www.cs.cmu.edu/afs/cs/academic/class/15213-f09/www/lectures/04-machine-basics.pdf (汇编语言基础)
• https://www.one-tab.com/page/YtHf9_uyTTO4Vdi0Hd7yLw (c 调用ASM 语法 )
• http://esofar.gitee.io/cnblogs-theme-silence/#/?id=cnblogs-theme-silence(博客主题)
• http://cr.openjdk.java.net/~sundar/8022483/webrev.01/raw_files/new/src/share/classes/com/sun/tools/hat/resources/oqlhelp.html (MAT OQ 查询语句-无关)