7.4　函数之间的调用关系

关于函数之间的调用关系，不少初学者可能并不清楚，对函数调用的认识也只是表面上的。本节先根据系统提供的函数实现函数间的调用关系，明白了其实现原理之后，再实现函数间的调用关系。

在讲解之前，先来看以下几个函数。

backtrace（）函数

int backtrace（void**buffer,int size）

该函数用来获取当前线程的调用堆栈。获取的信息将会被存放在buffer中。buffer是一个指针列表，参数size用来指定buffer中可以保存多少个void*元素。函数返回值是实际获取的指针个数，最大不超过size的大小，在buffer中的指针实际是从堆栈中获取的返回地址，每一个堆栈框架有一个返回地址。

backtrace_symbols（）函数

char*backtrace_symbols（voidconst*buffer,int size）

该函数将backtrace（）函数获取的信息转化为一个字符串数组，其中，参数buffer就是在backtrace（）函数中获取的buffer参数，size是数组中的元素个数，也就是backtrace（）函数的返回值。backtrace_symbols（）函数的返回值是一个指向字符数组的指针，其大小同buffer相同，数组中的每个元素都包含函数名、函数偏移地址、实际的返回地址。需要注意的是，该函数的返回指针是通过malloc函数申请的空间，因此在调用该函数后还要使用free（）函数来释放该函数返回的指针。

backtrace_symbols_fd（）函数

void backtrace_symbols_fd（voidconstbuffer,int size,int fd）

该函数与上面的backtrace_symbols（）函数的功能一样，区别在于该函数没有返回值，不必采用malloc函数分配内存空间，而是将结果写入文件描述符fd的文件中，每个函数对应文件中的一行。

接下来通过前两个函数来查看函数间的调用关系，代码如下：

include＜stdio.h＞

include＜stdlib.h＞

include＜execinfo.h＞

define MAX_LEVEL 10

void call_2（）

{

int i=0；

void*buffer[MAX_LEVEL]={0}；

int size=backtrace（buffer,MAX_LEVEL）；

char**strings=backtrace_symbols（buffer,size）；

printf（"Obtained%zd stack frames.\n"，size）；

for（i=0；i＜size；i++）

printf（"%s\n"，strings[i]）；

free（strings）；

return；

}

void call_1（）

{

call_2（）；

return；

}

void call（）

{

call_1（）；

return；

}

int main（int argc,char*argv[]）

{

call（）；

return 0；

}

运行结果：

root@ubuntu:/home#gcc backtr.c-rdynamic-o backtr

root@ubuntu:/home#./backtr

Obtained 6 stack frames.

./backtr（call_2+0x35）[0x80486b9]

./backtr（call_1+0xb）[0x804872a]

./backtr（call+0xb）[0x8048737]

./backtr（main+0xb）[0x8048744]

/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6（__libc_start_main+0xe7）[0x737e37]

./backtr（）[0x80485f1]

分析上面的代码可知，这里采用backtrace_symbols（）函数来实现打印，当然也可以采用backtrace_symbols_fd（）函数实现将结果保存到一个文件中。在编译的时候指定了一个-rdynamic选项，该选项的功能是支持函数的功能名。从运行结果可以看出，得到的是一些不直观的偏移地址和实际的返回地址，可以将它们转换为代码中的相对位置，这可以通过addr2line工具来实现，接下来简单地讲解一下该工具的使用方法。要通过实际地址得到其在源代码中的相对位置，可以使用如下指令：

addr2line[-f]-e可执行文件名 实际地址

需要注意的是，在使用addr2line工具的时候，需要在编译可执行文件的时候带有-g选项，其中[-f]为可选项，其功能为打印出实际地址所在的函数名称。例如选用上面的第一个实际地址，执行的指令及得到的结果如下：

root@ubuntu:/home#addr2line-f-e backtr 0x80486b9

call_2

/home/backtr.c：11

从运行结果可以看出，该地址位于call_2函数中，位于代码的第11行。

在讲解backtrace（）函数的实现原理之前，先来看看函数调用过程中的压栈操作。第1章讲解堆栈时，提到了临时变量的压栈，接下来通过图7-4来分析函数调用过程中的压栈操作。

7.4　函数之间的调用关系 - 图1

图　7-4　函数调用过程中的压栈操作

从图7-4可以看出，函数参数的压栈是从右向左进行的，而临时变量的压栈是从上到下进行的，对临时变量中的数组压栈同样是从右向左进行的，即首先压栈的是下标最大的元素，最后压栈的是第一个数组元素。在函数参数和临时变量的压栈之间还有两个值，一个是ebp寄存器的值，另外一个是eip寄存器的值。ebp寄存器保存的是上一个函数的ebp的压栈地址，通过该ebp就能够取出上一个调用函数的ebp值。eip寄存器保存的是CPU下次所要执行的指令地址。ebp寄存器存储的是栈底地址，而这个地址是由esp在函数调用前传递给ebp的。等到调用结束，ebp会把其地址再次回传给esp，这样esp又一次指向了函数调用结束后，即栈顶的地址，通过这样的方法就实现了函数之间的调用。为了加深对栈结构的印象，先来看下面的代码。

include＜stdio.h＞

void test（int a,int b,int c）

{

int arr[3]={1，2，3}；

printf（"函数参数地址：＆a=%d\t＆b=%d\t＆c=%d\n"，＆a，＆b，＆c）；

printf（"临时变量地址：＆arr[2]=%d\t＆arr[1]=%d\t＆arr[0]=%d\n"，＆arr[2]，＆arr[1]，＆arr[0]）；

return；

}

int main（）

{

test（1，2，3）；

return 0；

}

运行结果：

函数参数地址：＆a=1244968＆b=1244972＆c=1244976

临时变量地址：＆arr[2]=1244956＆arr[1]=1244952＆arr[0]=1244948

对于上面的运行结果，可以通过图7-5来演示函数的压栈操作，函数参数的压栈和临时变量中数组元素的压栈都符合上面的分析。第一个函数参数地址和数组最后一个元素a[2]地址之差为12，因为这12字节的存储空间中有4字节是数组元素arr[2]的，剩下的8字节存储空间是ebp和eip的。

7.4　函数之间的调用关系 - 图2

图　7-5　函数调用时压栈的存储结构

分析完参数的压栈操作，再来验证当前函数中压栈的ebp寄存器的值是否为上一个函数压栈的ebp寄存器的地址，看下面的代码。

include＜stdio.h＞

void test1（）

{

int a；

printf（"test1（）函数中ebp的值为：%d\n"，*（＆a+1））；

return；

}

void test（）

{

int n；

printf（"test（）函数中存放ebp寄存器的内存单元地址为：%d\n"，＆n+1）；

test1（）；

return；

}

int main（int argc,char*argv[]）

{

test（）；

return 0；

}

运行结果：

test（）函数中存放ebp寄存器的内存单元地址为：1244972

test1（）函数中ebp的值为：1244972

从上面的运行结果可以看出，每个函数中压栈的ebp寄存器的值都是上一个函数中ebp值所在内存单元的地址。了解了函数的压栈操作，接下来实现函数间的调用关系，看下面的代码。

include＜stdio.h＞

define MAX_LEVEL 4

int backtrace（void**buffer,int size）

{

int n；

int*p=＆n；

int i=0；

int ebp=*（p+5）；

int eip=*（p+6）；

for（i=0；i＜size；i++）

{

buffer[i]=（void*）eip；

p=（int*）ebp；

ebp=*p；

eip=*（p+1）；

}

return size；

}

void call2（）

{

int i=0；

void*buffer[MAX_LEVEL]={0}；

int size=backtrace（buffer,MAX_LEVEL）；

for（i=0；i＜size；i++）

{

printf（"called by%p\n"，buffer[i]）；

}

return；

}

void call1（）

{

call2（）；

return；

}

void call（）

{

call1（）；

return；

}

int main（）

{

call（）；

return 0；

}

运行结果：

root@ubuntu:/home#gcc-g backtr.c-o backtr

root@ubuntu:/home#./backtr

called by 0x804848a

called by 0x80484c7

called by 0x80484d4

called by 0x80484e1

分析上面的代码，首先需要注意的是早期gcc版本中的压栈操作与新版本稍有不同，主要体现在对ebp和eip的压栈处理上。早期的压栈与VC的压栈方法相同，就是在函数参数和临时变量之间压栈，而新版本则把ebp和eip的压栈操作放到了最后一个临时变量的后面。上面的代码是采用新版本的gcc编译的，由于backtrace（）函数中有5个临时变量，因此先通过整型指针p取出第一个临时变量的地址，对其加5，指向ebp所在的内存单元地址，然后将其值放到ebp变量中，最后通过一个for循环来逐一取出每个函数中eip的值。

可以对上面结果中的实际地址使用addr2line工具获得其在文件中的相对位置，如：

root@ubuntu:/home#addr2line-f-e backtr 0x804848a

call2

/home/backtr.c：30