Стек — это динамическая структура данных, которая позволяет сохранить важную информация о программе, включая локальные переменные, информацию о подпрограммах и временные данные. Процессор x86-64 управляет стеком через специальный регистр RSP (указатель стека). Когда программа начинает выполняться, операционная система инициализирует регистр RSP адресом последней ячейки памяти в сегменте стека.
Стек позволяет экономить использование регистров: мы можем сохранить временно данные в стеке, а регистры использовать непосредственно для вычислений. В то же время стоит помнить, что размер стека ограничен и на разных системах он занимает разное пространство. Так, на Linux х86-64 стек ограничен 2 мегабайтами.
В процессе работы программы данные записываются в сегмент стека или, наоборот, извлекаются из стека. Стек растет от больших адресов к меньшим, то есть при добавлении в стек данных, адрес добавляемых данных будет уменьшаться. Стоит отметить, что по умолчанию при начале работы программы стек выровнен по 16-байтовой границе, то есть адрес, который хранится в стеке кратен 16.
Для добавления данных в стек применяется инструкция push. В качестве единственного операнда инструкция принимает добавляемое в стек значение. Мы можем добавить в стек значения 16- и 64-разрядного регистра, адрес в памяти 16- и 64-разрядного числа или значение 16- и 32-разрядной константы (32-битная констранта расширяется до 64 бит).
При выполнении инструкции push
от значения регистра RSP вычитается размер операнда. А по адресу, который хранится в стеке, помещается значение операнда.
rsp = rsp - размер операнда [rsp] = значение операнда
Инструкция pop позволяет, наоборот, взять из стека значение, адрес которого хранится в текущий момент в регистре RSP. Эта инструкция в качестве операнда получает место, куда надо сохранить данные из стека. Это может быть или 16- и 64-разрядный регистр или адрес в памяти 16- и 64-разрядного числа. При выполнении этой инструкции в операнд помещается значение, которое хранится в адресе из RSP. А само значение RSP увеличивается на размер операнда:
operand = [rsp] rsp = rsp + размер операнда
Например, возьмем следующую программу на Linux:
global _start section .text _start: mov rdx, 15 push rdx ; в стек помещаем содержимое регистра RDX pop rdi ; значение из вершины стека помещаем в регистр RDI mov rax, 60 syscall
Допустим, регистр RSP
содержит изначально адрес 0x00FF_FFF0. Пусть в регистре RDX хранится некоторое значение, которое с помощи инструкции pushq
заталкивается в стек:
push rdx
В результате в последующие 8 байт начиная с адреса, который хранится в RSP, помещается значение из регистра RDX (в данном случае число 15). А в регистр RSP будет помещен адрес RSP-8, то есть условно 0x00FF_FFE8 и сохранит текущее значение регистра RDX в ячейках памяти начиная с 0x00FF_FFF0 по 0x00FF_FFE8, то есть займет 8 байт.
rsp -------------------------- 0x00FF_FFE8 push rdx -> | 15 | -------------------------------0x00FF_FFF0
Затем извлекаем из стека значение по адресу, который хранится в RSP, в регистр RDI:
pop rdi
В результате в RDI помещается число из стека (в данном случае число 15). А в регистр RSP будет помещен адрес RSP+8, то есть условно 00FF_FFF0h.
Аналогичная программа на Windows:
global _start section .text _start: mov rdx, 15 push rdx ; в стек помещаем содержимое регистра RDX pop rax ; значение из вершины стека помещаем в регистр RAX ret
Наиболее распространенное использование команд push и pop — это сохранение значений регистров во время промежуточных вычислений. Поскольку регистры — лучшее место для хранения временных значений, и регистры также могут потребоваться для других операций, поэтому в процессе программы легко исчерпать регистры. Инструкции push и pop позволяют сохранить начальные значения регистров при старте программы, а при завершении программы восстановить эти значения.
Следует учитывать, что стек представляет структуру LIFO (Last In, First Out или Последний вошел, первый вышел), что значит, что получение данных из стека происходит в порядке, обратном их добавлению. Рассмотрим следующую программу:
global _start section .text _start: mov rdi, 11 mov rdx, 33 push rdi push rdx pop rdi ; rdi = 33 pop rdx ; rdx = 11 mov rax, 60 syscall
Допустим, в самом начале программы до добавления данных стек регистр RSP хранит адрес 0x00FF_FFF0.
Затем добавляем в стек значение регистра RAX:
push rdi
Адрес в RSP смещается на 8 байтов и указывает на адрес в памяти, где хранится значение из регистра RDI
rsp = 0x00FF_FFE8 ------------------------------- -0x00FF_FFE0 | | rsp ---------------------------- 0x00FF_FFE8 push rdi -> | 11 | -------------------------------- 0x00FF_FFF0
Далее добавляем в стек значение регистра RDX:
push rdx
Адрес в RSP смещается на 8 байтов и указывает на адрес значения из регистра RDX
rsp = 0x00FF_FFE0 rsp--------------------------- 0x00FF_FFE0 push rdx -> | 33 | ------------------------------ 0x00FF_FFE8 | 11 | -------------------------------0x00FF_FFF0
После добавления мы последовательно извлекаем данные. Первая инструкция извлекает данные, на которые указывает регистр RSP, в регистр RDI:
pop rdi
rsp = 0x00FF_FFE8 ----------------------------- 0x00FF_FFE0 pop rdi <- | 33 | rsp --------------------------0x00FF_FFE8 | 11 | ------------------------------0x00FF_FFF0
Однако поскольку RSP перед операцией извлечения указывал на адрес последнего добавленного значения - значения регистра RDX, то регистр RDI получит значение регистра RDX. Соответственно при последующей инструкции pop:
pop rdx
Регистр RDX получить значение регистра RDI, которое было в регистре RDI до добавления в стек.
rsp = 0x00FF_FFF0 ----------------------------- 0x00FF_FFE8 pop rdx <- | 11 | rsp -------------------------0x00FF_FFF0
Поэтому если мы хотим восстановить начальные значения регистров, то нам надо извлекать значения в порядке, обратном добавлению
push rdi push rdx pop rdx ; Последним добавлено значение RDX, поэтому сначала извлекаем в RDX pop rdi
В любом случае стоит помнить, что количество инструкций push
и pop
должно быть равно, сколько раз мы добавили данные в стек, столько раз мы должны получить данные из стека.
Ассемблер предоставляет дополнительную пару инструкций pushfq и popfq для сохранения и восстановления соответственно регистра RFLAGS (и всех флагов состояния). Например:
global _start section .text _start: pushfq ; сохраняем значения флагов mov al, 255 add al, 2 ; 255 + 2 = 257 - флаг CF будет установлен popfq ; восстанавливаем значения флагов jc set ; если флаг CF установлен, переход к метке set mov rdi, 11 jmp exit set: mov rdi, 22 exit: mov rax, 60 syscall
Здесь инструкцией pushfq
сначала сохраняем флаги. По умолчанию флаг переноса CF будет равен 0.
Затем выполняем сложение 255 + 2, что даст 257 и что очевидно за пределы разрядности регистра AL, соответственно будет установлен флаг переноса CF. Далее с помощью инструкции
jc set
переходим к метке set, если флаг CF установлен. Однако перед этой инструкцией мы восстанавливаем флаги - popfq
. То есть флаг CF получит свое значение 0, и никакого перехода к метке set
не произойдет.
При завершении программы следует восстановить адрес в RSP. Как выше было показано, для этого мы можем использовать инструкцию pop
. Однако может сложиться ситуация, что данные не требуется извлекать из стека.
Например, в зависимости от некоторых условий данные могут понадобиться, а могут не понадобиться. Если данные не нужны, извлекать каждые 8 байт отдельно с помощью инструкции pop
не имеет смысла, особенно если надо извлечь много данных из стека. И в этом случае мы можем восстановить адрес в RSP, просто прибавив нужное значение - смещение относительно начального
адреса. Например:
global _start section .text _start: mov rdi, 11 mov rdx, 33 push rdi push rdx add rsp, 16 ; прибавляем к адресу в RSP 16 байт mov rax, 60 syscall
Здесь в стек помещаем значения двух регистров - RDI и RDX, то есть адрес в RSP уменьшится на 16 байт (совокупный размер двух регистров). И чтобы быстро восстановить стек, прибавляем к адресу в RSP 16 байт:
add rsp, 16
Подобным образом можно вычитать из адреса в RSP определенное число, тем самым резервируя в стеке некоторое пространство:
global _start section .text _start: sub rsp, 16 ; резервируем в стеке 16 байт ; некоторая работа со стеком add rsp, 16 ; восстанавливаем значение стека mov rax, 60 syscall
Поскольку вначалае вычитаем из адреса в rsp 16 байт, то после работы со стеком к адресу в rsp также прибавляется 16 байт.
Как и в случае с любым другим регистром, в отношении регистра стека RSP можно использовать косвенную адресацию и обращаться к данным в стеке без смещения указателя RSP. Например, следующая программа на Linux помещает в стек число из регистра rdx, а затем сохраняет это число из стека в регистр rdi:
global _start section .text _start: sub rsp, 16 ; резервируем в стеке 16 байт mov rdx, 11 mov [rsp], rdx ; помещаем в стек значение регистра RDX mov rdi, [rsp] ; в RDI помещаем значение по адресу из RSP - число 11 add rsp, 16 ; восстанавливаем значение стека mov rax, 60 syscall
В данном случае в стек помещаем число из регистра RDX - число 11.
mov [rsp], rdx
Подобную форму размещения данных в стеке можно рассматривать как альтернативу инструкции push
, если нам не надо изменять значение указателя стека RSP. То есть мы можем
сохранить таким образом данные по адресу в RSP, но после этого RSP продолжает хранить тот же адрес.
Далее в регистр RDI помещаем значение, которое располагается по адресу из RSP. Фактически это тот адрес, где располагается число 11.
mov rdi, [rsp]
Аналогичная программа на Windows:
global _start section .text _start: sub rsp, 16 ; резервируем в стеке 16 байт mov rdx, 11 mov [rsp], rdx ; помещаем в стек значение регистра RDX mov rax, [rsp] ; в RAX помещаем значение по адресу из RSP - число 11 add rsp, 16 ; восстанавливаем значение стека ret
Аналогично можно применять смещения и масштабирование. Например, используем смещение в программе на Linux:
global _start section .text _start: push 12 push 13 push 14 push 15 mov rdi, [rsp+16] ; [rsp+16] - адрес значения 13 add rsp, 32 ; восстанавливаем значение стека mov rax, 60 syscall
Здесь в стек последовательно помещаются числа 12, 13, 14, 15. Каждое число будет занимать 8 байт. После добавления адрес в RSP будет указывать на адрес последнего добавленного числа - 15.
rsp = 0x00FF_FFD0 rsp----------------------- 0x00FF_FFD0 | 15 | -------------------------- 0x00FF_FFD8 | 14 | -------------------------- 0x00FF_FFE0 | 13 | -------------------------- 0x00FF_FFE8 | 12 | ---------------------------0x00FF_FFF0
И чтобы, например, получить предыдущее число - 14, нам надо к адресу в RSP прибавить 8. А чтобы обратиться к числу 13, надо прибавить 16 байт:
mov rdi, [rsp+16]
Соотвественно чтобы получить из стека первое число - 12, надо к адресу в RSP прибавить 24:
mov rdi, [rsp+24]
Аналогичная программа на Windows:
global _start section .text _start: push 12 push 13 push 14 push 15 mov rax, [rsp+16] ; [rsp+16] - адрес значения 13 add rsp, 32 ; восстанавливаем значение стека ret
Другой пример (на Linux):
global _start section .text _start: sub rsp, 16 ; резервируем в стеке 16 байт mov rcx, 12 mov rdx, 13 mov [rsp + 8], rcx ; [rsp + 8] = 12 mov [rsp], rdx ; [rsp] = 13 mov rdi, [rsp] ; rdi= 13 add rdi, [rsp+8] ; rdi = rdi + 12 add rsp, 16 ; восстанавливаем значение стека mov rax, 60 syscall
Здесь по адресу RSP располагается значение региста RCX, а по адресу RSP+8 - регистра RDX. В RDI извлекаем значение по адресу RSP (13), и затем складываем его со значением из RSP+8 (12). Таким образом, в RDI будет число 25.
Аналогичный пример на Windows:
global _start section .text _start: sub rsp, 16 ; резервируем в стеке 16 байт mov rcx, 12 mov rdx, 13 mov [rsp + 8], rcx ; [rsp + 8] = 12 mov [rsp], rdx ; [rsp] = 13 mov rax, [rsp] ; rax= 13 add rax, [rsp+8] ; rax = rax + 12 add rsp, 16 ; восстанавливаем значение стека ret