編譯器和最佳化原理篇
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函式呼叫篇

你所不知道的C語言：函式呼叫篇

函式呼叫和計算機結構的高度關聯 Copyright (慣C) 2015, 2016 宅色夫

  • 早期 C 語言 (1972-1973) -> K&R C (1976-1979) -> ANSI C (1983-1989) -> ISO
    • ANSI C -> C++ (1985-) # 融合 Simula 67 和 Ada 特色 
    • Cfront: C with class
    • source: History of C
  • 許多程式語言允許 function 和 data 一樣在 function 內部定義，但 C 語言不允許這樣的 nested function，換言之，C 語言所有的 function 在語法層面都是位於最頂層 (top-level)
    • nested function 是編譯器的擴展
  • 「不允許 nested function」這件事簡化了 C 編譯器的設計
    • 在 Pascal, Ada, Modula-2, PL/I, Algol-60 這些允許 nested function 的程式語言中，需要一個稱為 static link 的機制來紀錄指向目前 function 的外層 function 的資訊
    • uplevel reference

再論 Function

數學定義的 Function

在 C 語言中，"function" 其實是退化過的形式。以下摘錄 Wikipedia C-- 詞條:

C-- 在 1997 年才提出，距離 C 語言出現整整過了25 年，前者主要的功能是作為編譯器的 IR (中間表示式)，主要用於  Glasgow Haskell Compiler (縮寫 ghc，是 Microsoft Research 一項高影響力的開放原始碼專案)

Process 和 C 程式的關聯

PDP-7 => PDP-11

  • PDP-11: MMIO (memory mapped I/O)
  • *0x404690 = 1;

IBM PC: 1980s: PIO, inb, outb

runtime = 執行時期

[ source ]

  • instructions: 自 object file (ELF) 映射 (map) 到 process 的 program code (機械碼)
  • static data: 靜態初始化的變數
  • BSS: 全名已 ==不可考==，一般認定為 "Block Started by Symbol”，未初始化的變數或資料
    • 可用 size 指令來觀察
  • Heap 或 data segment: 執行時期才動態配置的空間
    • sbrk 系統呼叫 (sbrk = set break) 
    • malloc/free 實際的實做透過 sbrk 系統呼叫
  • Stack: 函式呼叫的實做基礎

ELF segment & section

一個 segment 包含若干個 section

$ sudo cat /proc/1/maps | less
55cff6602000-55cff678b000 rw-p  [heap]
7fff7e13f000-7fff7e160000 rw-p  [stack]

program loader XIP: execution in place

從遞迴學習 function call

[ infinite.c ]

int func() {
    static int count = 0;
    return ++count && func();
}

int main() {
    return func();
}

用 GDB 執行和測試，記得加上 -g

$ gcc -o infinite infinite.c -g
$ gdb -q infinite
Reading symbols from infinite...done.
(gdb) r
Starting program: /tmp/infinite

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x00000000004004f8 in func () at infinite.c:3
3                return ++count && func();
(gdb) p count
$1 = 524032

如果將  infinite.c 改為以下，重複上述動作：

int func(int x) {
    static int count = 0;
    return ++count && func(x++);
}

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

將得到：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x0000000000400505 in func (x=1) at infinite.c:3
3                return ++count && func(x++);
(gdb) p count
$1 = 262016

繼續修改 infinite.c 為以下，重複上述動作:

int func(int x) {
    static int count = 0;
    int y = x; // local var
    return ++count && func(x++);
}

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

將得到以下：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x00000000004004de in func (x=<error reading variable: Cannot access memory at address 0x7fffff7fefec>) at infinite.c:1
1        int func(int x) {
(gdb) p count
$1 = 174677

stack 裡面有 x (parameter), y (local variable), return address

stack frame

觀察 UNIX Process 中的 stack 空間

$ sudo cat /proc/1/maps | grep stack
7fff7e13f000-7fff7e160000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]

60000~Hex~ - 3f000~Hex~ = 21000~Hex~ = 135168~Dec~

135168 * 4 = 540672

這跟前面的數字很像！

函式就是「做好」與「做滿」

  • return address 很重要，不管有沒有選上，都要有 ==退路==

sp = stack pointer; stack register

操作 GDB

[ source ] 

(AMD x86_64) A stack frame’s best friends are the two registers rsp and rbp, called the “stack pointer” and the “frame pointer”.

function prologue

function epilogue

(gdb) x /16gx $rsp

5.10. Borrow an

檔裡可以沒有註解，註解不能離開檔而存在

延伸閱讀

stack-based buffer overflow

  • CVE-2015-7547

    • vulnerability in glibc’s DNS client-side resolver that is used to translate human-readable domain names, like google.com, into a network IP address. [ 解說 ]

  • Buffer Overflow : Example of Using GDB to Check Stack Memory

    準備 gdb-example.c，其內容為:

    #include <stdio.h>
void foo(char * input){
    int a1=11;
    int a2=22;
    char buf[7];
    strcpy(buf, input);
}

void main(int argc, char **argv){
    foo(argv[1]);
}

    編譯，記得加上 -g 和 -m32

    用 i686 架構執行 GDB:

    $ setarch i686 -R gdb -q ./gdb-example
(gdb) break 6
Breakpoint 1 at 0x804847a: file gdb-example.c, line 6.
(gdb) run “whatever”
Starting program: /tmp/gdb-example "whatever"

Breakpoint 1, foo (input=0xffffd406 "whatever") at gdb-example.c:6
6                strcpy(buf, input);

    觀察 stack 內容:

    (gdb) info frame
Stack level 0, frame at 0xffffd180:
eip = 0x8048490 in foo (gdb-example.c:6); saved eip = 0x80484da
called by frame at 0xffffd1b0
source language c.
Arglist at 0xffffd178, args: input=0xffffd40c "whatever"
Locals at 0xffffd178, Previous frame’s sp is 0xffffd180
Saved registers:
ebp at 0xffffd178, eip at 0xffffd17c
(gdb) x &a1
0xffffd15c:        0x0000000b
(gdb) x &a2
0xffffd160:        0x00000016
(gdb) x buf
0xffffd165:        0x44f7f9c0
(gdb) x 0xffffd160
0xffffd160:        0x00000016

藏在 Heap 裡的細節

free() 釋放的是 pointer 指向位於 heap 的連續記憶體，而非 pointer 本身佔有的記憶體 (*ptr)。

舉例來說：

#include <stdlib.h>

int main()
{
    int *p = (int *) malloc(1024);
    free(p);
    free(p);
    return 0;
}

編譯不會有錯誤，但運作時會失敗：

*** Error in './free': double free or corruption (top): 0x000000000067a010 ***

倘若改為以下：

#include <stdlib.h>

int main()
{
    int *p = (int *) malloc(1024);
    free(p);
    p = NULL;
    free(p);
    return 0;
}

則會編譯和執行都成功。

因此，為了防止對同一個 pointer 作 free() 兩次的操作，而導致程式失敗，free() 後應該設定為 NULL。

[ ==Homework== ] 為什麼 glibc 可以偵測出上述程式的 "double free or corruption" 呢？

malloc / free

在 GNU/Linux 裡頭觀察 malloc

$ gdb -q `which gdb`
Reading symbols from /usr/bin/gdb...(no debugging symbols found)...done.
(gdb) start
Temporary breakpoint 1 at 0x45d450
...
(gdb) p ((double(*)())pow)(2.,3.)
$1 = 8
(gdb) call malloc_stats()
Arena 0:
system bytes     =     135168
in use bytes     =      28000
Total (incl. mmap):
system bytes     =     135168
in use bytes     =      28000
max mmap regions =          0
max mmap bytes   =          0
$2 = -168929728
(gdb) call malloc_info(0, stdout)
<malloc version="1">
<heap nr="0">

glibc 提供了 malloc_stats() 和 malloc_info() 這兩個函式，可顯示 process 的 heap 資訊

延伸閱讀

https://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Target-Description-Format.html

malloc: first-fit => https://github.com/jserv/mini-arm-os/blob/master/07-Threads/malloc.c

參考資料

Q&A

书籍推荐