探究Linux下参数传递及查看和修改方法

   X86-64下有16个64位寄存器，其中%rdi、%rsi、%rdx，%rcx、%r8、%r9用作传递函数参数，分别对应第1个参数、第2个参数直到第6个参数，如下图所示（图片来自网络）：

如果函数的参数个数超过6个，则超过的参数直接使用栈来传递。在被调用函数执行前，会先将寄存器中的参数压入堆栈，之后的访问会通过栈寄存器加上偏移位置来访问。下面我们结合程序及其反汇编的结果来看一看。C语言程序如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

static int func2(int i, int j)
{
int k;

k = i + j;
return k;
}

static int func(int fd, const char *ptr, int arg3, int arg4, int arg5,
int arg6, int arg7, int arg8)
{
int ret;

ret = arg7 + arg8;

func2(fd, arg3);

return ret;
}

int main(void)
{
func(12, "Hello,World!", 3, 4, 5, 6, 7, 8);

return 0;
}

将上述程序保存为m.c，使用gcc加上-g选项编译，然后使用gdb来进行调试，我们在main调用func的位置及func()和func2()函数三处加上断点，如下所示：

(gdb) b m.c:26
Breakpoint 1 at 0x4004d4: file m.c, line 26.
(gdb) b func
Breakpoint 2 at 0x4004ac: file m.c, line 17.
(gdb) b func2
Breakpoint 3 at 0x40047e: file m.c, line 8.
(gdb)

然后我们在第一个断点处停下，反汇编当前的main函数，查看参数传递方式，如下所示：

(gdb) disassemble /m main
Dump of assembler code for function main:
25 {
0x00000000004004cc <+0>: push %rbp
0x00000000004004cd <+1>: mov %rsp,%rbp
0x00000000004004d0 <+4>: sub $0x10,%rsp

26 func(12, "Hello,World!", 3, 4, 5, 6, 7, 8);
=> 0x00000000004004d4 <+8>: movl $0x8,0x8(%rsp)
0x00000000004004dc <+16>: movl $0x7,(%rsp)
0x00000000004004e3 <+23>: mov $0x6,%r9d
0x00000000004004e9 <+29>: mov $0x5,%r8d
0x00000000004004ef <+35>: mov $0x4,%ecx
0x00000000004004f4 <+40>: mov $0x3,%edx
0x00000000004004f9 <+45>: mov $0x400608,%esi
0x00000000004004fe <+50>: mov $0xc,%edi
0x0000000000400503 <+55>: callq 0x40048f <func>

27
28 return 0;
0x0000000000400508 <+60>: mov $0x0,%eax

29 }
0x000000000040050d <+65>: leaveq
0x000000000040050e <+66>: retq

End of assembler dump.
(gdb)

在func(12, "Hello,World!", 3, 4, 5, 6, 7, 8);这行下面我们可以看到在使用callq指令调用func()函数之前，会使用mov指令将前6个参数的值分别保存在edi、esi、edx、ecx、r8d、r9d这个6个寄存器中，而将第7个和第8个参数存储在栈上。这个结果和我们前面说的一致。

在进入第二个断点之前，我们先来看看当前的寄存器信息，如下所示：

(gdb) i registers
rax 0x351658ff60 228008197984
rbx 0x0 0
rcx 0x0 0
rdx 0x7fffffffe4e8 140737488348392
rsi 0x7fffffffe4d8 140737488348376
rdi 0x1 1
rbp 0x7fffffffe3f0 0x7fffffffe3f0
rsp 0x7fffffffe3e0 0x7fffffffe3e0
r8 0x351658e300 228008190720
r9 0x3515a0e9d0 227996133840
r10 0x7fffffffe240 140737488347712
r11 0x351621ebe0 228004588512
r12 0x400390 4195216
r13 0x7fffffffe4d0 140737488348368
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x4004d4 0x4004d4 <main+8>
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb)

我们看到，在第一个断点处，也就是main函数中调用func()的位置，此时调用函数func()所需要的参数还没有存储到寄存器中，此时是在sub $0x10,%rsp汇编指令之后的位置。

接下来我们进入第二个断点，即设置在func()函数的断点，查看此时的寄存器信息，如下所示：

(gdb) i registers
rax 0x351658ff60 228008197984
rbx 0x0 0
rcx 0x4 4
rdx 0x3 3
rsi 0x400608 4195848
rdi 0xc 12
rbp 0x7fffffffe3d0 0x7fffffffe3d0
rsp 0x7fffffffe3a0 0x7fffffffe3a0
r8 0x5 5
r9 0x6 6
r10 0x7fffffffe240 140737488347712
r11 0x351621ebe0 228004588512
r12 0x400390 4195216
r13 0x7fffffffe4d0 140737488348368
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x4004ac 0x4004ac <func+29>
eflags 0x206 [ PF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb)

此时在rsi、rdi等寄存器中已经可以看到我们传递的参数值，我们此时的位置是在callq 0x40048f <func>之后的位置。

反汇编func()函数，如下所示：

(gdb) disassemble /m func
Dump of assembler code for function func:
14 {
0x000000000040048f <+0>: push %rbp
0x0000000000400490 <+1>: mov %rsp,%rbp
0x0000000000400493 <+4>: sub $0x30,%rsp
0x0000000000400497 <+8>: mov %edi,-0x14(%rbp)
0x000000000040049a <+11>: mov %rsi,-0x20(%rbp)
0x000000000040049e <+15>: mov %edx,-0x24(%rbp)
0x00000000004004a1 <+18>: mov %ecx,-0x28(%rbp)
0x00000000004004a4 <+21>: mov %r8d,-0x2c(%rbp)
0x00000000004004a8 <+25>: mov %r9d,-0x30(%rbp)

15 int ret;
16
17 ret = arg7 + arg8;
=> 0x00000000004004ac <+29>: mov 0x18(%rbp),%eax
0x00000000004004af <+32>: mov 0x10(%rbp),%edx
0x00000000004004b2 <+35>: lea (%rdx,%rax,1),%eax
0x00000000004004b5 <+38>: mov %eax,-0x4(%rbp)

18
19 func2(fd, arg3);
0x00000000004004b8 <+41>: mov -0x24(%rbp),%edx
0x00000000004004bb <+44>: mov -0x14(%rbp),%eax
0x00000000004004be <+47>: mov %edx,%esi
0x00000000004004c0 <+49>: mov %eax,%edi
0x00000000004004c2 <+51>: callq 0x400474 <func2>

20
21 return ret;
0x00000000004004c7 <+56>: mov -0x4(%rbp),%eax

22 }
0x00000000004004ca <+59>: leaveq
0x00000000004004cb <+60>: retq

从上面的汇编代码可以看到，在做具体的操作之前，会将寄存器中的参数值压入到栈上，并且在此后的操作中，都是只会去操作栈上的值，而不是直接修改寄存器中的值。

现在有一个问题，我们在第二个断点处，是在将寄存器压入栈之前还是之后？如果此时打印fd，是从栈上取值还是寄存器中取值？这个问题也很好判断，直接使用p命令打印fd即可，具体过程如下所示：

(gdb) p fd
$9 = 12
(gdb) p $rdi
$10 = 12
(gdb) set $rdi=15
(gdb) p fd
$11 = 12
(gdb) set *(int *)($rbp-0x14)=15
(gdb) p fd
$12 = 15
(gdb)

开始的时候修改的是rdi寄存器，但是打印fd时仍然是12，直接修改压栈的位置为15，再次打印fd，此时的值为15.所以在打印fd时，相应的值是从栈上读取的。我们此时的断点的位置也是在将参数压栈之后的位置。fd对应的栈位置可以算出来，不过这里是根据前面的反汇编结果。

接下来尝试利用栈上的信息打印出我们的第二个参数，也就是"Hello,World!"字符串。我们知道C语言中字符串其实就是一段以空字符结尾的内存，通常使用其首地址来访问该字符串。我们这里的字符串的地址通过esi寄存器保存在栈上，位置就是$rbp-0x20，但是这个位置存储的是一个指针的地址，如果将其理解为指针，就是存储指针的指针，也就是二级指针，所以的打印的时候应该是这样：

(gdb) p *(char **)($rbp-0x20)
$6 = 0x400608 "Hello,World!"
(gdb) p (char *)($rbp-0x20)
$7 = 0x7fffffffe3b0 "\b\006@"
(gdb)

其实前面修改变量的方法显得很罗嗦也很繁琐，但是平时如果要对正在运行的程序进行变量的修改，使用gdb则很麻烦，也不够灵活，即使使用gdb脚本。做这种事情，当然是由强大的SystemTap来做，要方便的多。下面还以修改fd为例，来说明如何使用SystemTap脚本来修改。

脚本如下：

probe process("a.out").statement("func@m.c+1") {
printf("func1: %s\n", $$vars);
$fd = 15;
}

probe process("a.out").statement("func2") {
printf("edi = %d\n", register("edi"));
}

上面的a.out就是前面的C程序（保存到m.c文件）编译后生成的。

这个脚本的执行和输出如下：

[root@CentOS_190 ~]# stap -gu -c ./a.out mod_reg.stp
func1: fd=0xc ptr=0x400608 arg3=0x3 arg4=0x4 arg5=0x5 arg6=0x6 arg7=0x7 arg8=0x8 ret=0x0
edi = 15
[root@CentOS_190 ~]#

我们可以看到在第一个probe点process("a.out").statement(func@m.c+1)将fd设置为15，在第二个probe点通过edi寄存器看到函数func2()的第一个参数i的值为15，而不是12.

细心的同学可能发现在第一个probe点加上了相对函数的偏移，在第二个probe点中使用寄存器来查看参数的信息，而不是使用$i变量。我们通过下面的脚本来说明这个问题，脚本如下：

probe process("a.out").statement("func") {
printf("func1: %s\n", $$vars);
printf("func1: edi = %d\n", register("edi"));
}

probe process("a.out").statement("func2") {
printf("func2: %s\n", $$vars);
printf("func2: edi = %d\n", register("edi"));
}

其输出结果如下：

[root@CentOS_190 ~]# stap -gu -c ./a.out test.stp
func1: fd=0x0 ptr=0x7fffa0a4bff8 arg3=0x0 arg4=0x40036b arg5=0x0 arg6=0x0 arg7=0x7 arg8=0x8 ret=0x0
func1: edi = 12
func2: i=0x0 j=0x1 k=0x35
func2: edi = 12
[root@CentOS_190 ~]#

如果没有加上函数的偏移，在probe点触发时，fd、ptr等参数的值还没有初始化，也就是寄存器中的值还没有压入栈中，所以此时直接使用fd等变量获取的值是未定义的，此时即使修改了fd等变量，在将寄存器压栈的时候也会被覆盖为原来的值。结合我们前面用gdb看到的汇编代码，这个地方理解起来就容易多了。

我们知道在SystemTap脚本中可以嵌入C代码，在嵌入的C代码中也可以使用内联汇编，但是在操作寄存器的时候要注意，在probe点触发时，程序运行时的寄存器会被保存到栈上，所以在probe的处理中修改寄存器时，修改的只是当前的寄存器，在probe点的处理完成后会恢复程序运行时的寄存器，具体细节参见内核文档kprobes.txt。

前面的脚本中不仅实现了修改变量的功能，在程序debug信息少的情况下，也可以选择一些信息动态输出，避免了修改程序及重新编译的重复操作。

再次向大家强烈推荐SystemTap！