Коллектив авторов - Защита от хакеров корпоративных сетей

Стековый фрейм функции

Как было упомянуто ранее, стек позволяет решить многие задачи. Во-первых, обеспечить локальное хранение переменных и данных функции. Во-вторых, передавать параметры в вызываемую функцию. В этой части главы будет рассказано, как компиляторы передают параметры вызываемым функциям и как это влияет на стек. Кроме того, будет уделено внимание разъяснению вопросов использования стека в командах процессора вызов функции call и возврата из нее ret.

Основные сведения

Стековый фрейм функции (stack frame) – область памяти, выделяемая всякий раз, когда вызывается функция. Она предназначается для временного хранения параметров, содержимого регистра EIP и, возможно, любых других регистров, а также локальных переменных функции. Ранее внимание читателя было заострено на использовании стека при хранении локальных переменных, а теперь будет рассказано о других возможностях его использования.

Для того чтобы понять, как работает стек, следует немного знать о командах процессора Intel call и ret. Команда call – основная команда для существования функции. Команда позволяет выполнить другую часть кода, запомнив при этом адрес точки возврата в стеке. Для этого команда call работает следующим образом:

1) проталкивает в стек адрес следующей команды, который является адресом точки возврата – точки, куда процессор передаст управление (возвратится) после выполнения функции;

2) передает управление по указанному в команде call адресу для выполнения команд функции.

А команда ret делает противоположное. Ее задача состоит в том, чтобы возвратиться из вызываемой функции к команде, следующей за командой call. Для этого команда ret выполняет следующие действия:

1) извлекает из стека сохраненный адрес точки возврата;

2) передает управление по только что извлеченному из стека адресу точки возврата.

Комбинация этих двух команд позволяет легко организовать передачу управления командам функции и вернуться обратно по ее завершении. Кроме того, благодаря сохраненному в стеке содержимому регистра EIP всегда можно прочитать из стека адрес точки перехода. После изучения принципов работы фреймового стека функции об этом будет сказано подробнее.

Передача параметров в функцию. Простой пример

В разделе приведен пример простой программы, иллюстрирующий использование фреймового стека функции для передачи параметров функции. В программе создаются несколько локальных переменных, инициализируется и вызывается функция callex, входными параметрами которой являются только что проинициализированные переменные. Функция callex отображает свои параметры на экране монитора.

На рисунке 8.4 приведена программа, которая поясняет структуру фреймового стека функции и его использование в командах call и ret.

Рис. 8.4. Пример программы, демонстрирующей использование стека в командах вызова и возврата

Дизассемблирование

Приведенная на рис. 8.4 программа была скомпилирована как консольное приложение Windows в режиме построения окончательной версии Release. Результаты дизассемблирования функций callex() и main() приведены на рис. 8.5 и демонстрируют машинный код функций callex() и main() после компиляции. Обратите внимание на передачу по ссылке буфера памяти buffer из функции main() функции callex(). Другими словами, функция callex() получает указатель на буфер buffer, а не копию содержащихся в нем данных. Это означает, что все изменения в буфере buffer, выполненные в функции callex(), тут же отражаются на содержимом буфера buffer в main(), поскольку на самом деле это одна и та же переменная.

Рис. 8.5. Дизассемблированный вид функции callex()

Дампы стека

На рисунках 8.6–8.9 представлен стек в различные моменты выполнения программы. Воспользуемся приведенными на рисунках 8.6–8.9 дампами, исходным текстом программы на языке C и ее дизассемблерным видом, для того чтобы лучше понять происходящие в стеке изменения и их причины. Это поможет понять принципы работы фреймового стека функции и его роль и место в программе.

На рисунке 8.6 показан дамп стека сразу после инициализации переменных, но до операций вызова функции и записи в стек ее входных параметров. Это пример «чистого» стека функции.

Далее, перед вызовом функции callex() в стек были помещены ее три параметра (см. рис. 8.7).

Обратите внимание на произошедшие изменения в дампе стека по сравнению с рис. 8.6. После размещения переменных в области стека функции main() в стек были записаны параметры вызываемой функции callex(), но сама функция пока еще не была вызвана. На рисунке 8.8 приведен дамп стека функции callex() после ее вызова.

Показанный на рис. 8.8 стек проинициализирован функцией callex(). Единственное, что осталось выяснить, – это вид стека перед обращением к функции printf(), список параметров которой состоит из четырех элементов.

Наконец, перед обращением в функции callex() к функции вывода значений переменных printf() в стек помещаются четыре параметра. Это видно из дампа стека, представленного на рис. 8.9.

Приведенные дампы стека позволят читателю хорошо понять принципы заполнения стека. Приобретенные знания пригодятся при обсуждении способов переполнения буфера.

Стековый фрейм и соглашения о вызове функций

Известно несколько вариантов соглашений о вызове функций в программе, каждый из которых отличается способом использования стека. Иногда очистка стека после завершения функции возлагается на вызывающую программу, а иногда на вызванную функцию. Тип вызова говорит компилятору, как генерировать программный код и каким образом использовать стековый фрейм.

Наиболее часто используется так называемое соглашение о вызове функций языка C (C declaration syntax). Параметры функции, объявленной в стиле языка С, записываются в стек в обратном порядке (справа налево, то есть первый параметр записывается в стек последним). Для вызванной функции это удобно, потому что в подобном случае первый параметр выталкивается из стека в первую очередь. По завершении функции вызывающая программа очищает стек, зная число и тип ранее размещенных в стеке параметров. Описанное соглашение о вызове функций позволяет передать ей переменное число параметров. Этот вариант по умолчанию используется для генерации кода MS Visual C/C++ и широко распространен на многих платформах. Иногда его называют синтаксисом вызова cdecl (cdecl calling syntax). Функция printf() является примером функции, которая использует синтаксис cdecl для обработки переменного числа параметров. По завершении функции printf() вызвавшая ее программа очищает стек.

Другое широко используемое соглашение о вызове функций получило название синтаксиса стандартного вызова (standard call syntax). Аналогично синтаксису cdecl переданные функции параметры записываются в стек в обратном порядке. Разница состоит в том, что вызванная функция изменяет указатель стека до своего завершения. Иногда это удобно, поскольку в вызывающей программе не надо думать, как правильно изменить указатель стека. Кроме того, это позволяет локализовать программный код изменения стека в вызванной функции. Большинство функций WIN32 API написано с использованием синтаксиса стандартного вызова, иногда известного как stdcall.

Третий вариант соглашения о вызове функций получил название синтаксиса быстрого вызова (fast call syntax). Он схож на синтаксис стандартного вызова тем, что вызываемая функция перед своим завершением очищает стек, но отличается способом записи параметров в стек. Первые два параметра функции передаются через регистры, поэтому они в стек не записываются и вызываемая функция обращается к первым двум параметрам через регистры, в которые они были помещены. Синтаксис быстрого вызова часто используется в программном коде Delphi-программ и в пространстве ядра операционной системы NT (пространство ядра (kernel space) – блок виртуальной памяти, отведенный для использования программного ядра в привилегированном режиме).