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Entendendo as funções em C do ponto de vista do Assembly. |
A linguagem C tem algumas variações à respeito de funções e o objetivo deste tópico é explicar, do ponto de vista do baixo-nível, como elas funcionam.
As funções na linguagem C têm protótipos que servem como uma "assinatura" indicando quais parâmetros a função recebe e qual tipo de valor ela retorna. Um exemplo:
int add(int x, int y);Esse protótipo já nos dá todas as informações necessárias que saibamos como fazer a chamada da função e como obter seu valor de retorno, desde que nós conheçamos a convenção de chamada utilizada. Os parâmetros são considerados da esquerda para a direita, logo o parâmetro x é o primeiro e o parâmetro y é o segundo. Na convenção de chamada da SysV ABI esses argumentos estariam em EDI e ESI, respectivamente. E o retorno seria feito em EAX.
Existem alguns protótipos um pouco diferentes que vale explicar aqui para deixar claro seu entendimento. Como este:
void do_something(int a);De acordo com a especificação do C11 uma expressão do tipo void é um tipo cujo o valor não existe e deve ser ignorado. Funções assim são compiladas retornando sem se preocupar em modificar o valor de RAX (ou qualquer outro registrador que poderia ser usado para retornar um valor) e portanto não se deve esperar que o valor nesse registrador tenha alguma informação útil.
int do_something(void);Quando void é usado no lugar da lista de parâmetros ele tem o significado especial de indicar que aquela função não recebe parâmetro algum ao ser chamada.
int do_something();Embora possa ser facilmente confundido com o caso acima, onde se usa void na lista de parâmetros, na verdade esse protótipo de função não diz que a função não recebe parâmetros. Na verdade esse é um protótipo que não especifica quais tipos ou quantos parâmetros a função recebe, logo o compilador aceita que a função seja chamada passando qualquer tipo e qualquer quantidade de parâmetros, inclusive sem parâmetro algum também. Veja o exemplo:
{% tabs %} {% tab title="main.c" %}
#include <stdio.h>
int do_something();
int main(void)
{
printf("Resultado: %d\n", do_something(1, 2, 3, 4.5f, "teste"));
}{% endtab %}
{% tab title="main.s" %}
movq .LC1(%rip), %rax
leaq .LC0(%rip), %rcx
movq %rax, %xmm0
movl $3, %edx
movl $2, %esi
movl $1, %edi
movl $1, %eax
call do_something@PLT
{% endtab %} {% endtabs %}
Na convenção de chamada da SysV ABI os argumentos para esse tipo de função são passados da mesma maneira que uma chamada com o protótipo "normal". A única diferença é que a função recebe um argumento extra no registrador AL indicando quantos registradores de vetor foram utilizados para passar argumentos de ponto-flutuante. Nesse exemplo apenas um argumento era um float e por isso há a instrução movl $1, %eax indicando esse número. Experimente usar mais argumentos float ou não passar nenhum para ver se o número passado em AL como argumento irá mudar de acordo.
int do_something(int x, ...);Funções com argumentos variáveis também seguem a mesma regra de chamada do que foi mencionado acima.
Funções static são visíveis apenas no mesmo módulo em que elas foram declaradas, ou seja, seu símbolo não é exportado. Exemplo:
static int add(int a, int b)
{
return a + b;
}Existem dois especificadores de função no C11, onde eles são:
O especificador inline é uma sugestão para que a chamada para a função seja a mais rápida possível. Isso tem o efeito colateral no GCC de inibir a geração de código para a função em Assembly. Ao invés disso as instruções da função são geradas no local onde ela foi chamada, e portanto o símbolo da função nunca é de fato declarado.
{% hint style="warning" %} O GCC, mesmo para uma função inline, ainda vai gerar o código para a chamada da função caso as otimizações estejam desligadas e isso vai acabar produzindo um erro de referência por parte do linker. Lembre-se de sempre ligar as otimizações de código quando estiver usando funções inline. {% endhint %}
Funções com o especificador _Noreturn nunca devem retornar para a função chamadora. Quando esse especificador é utilizado o compilador irá gerar código assumindo que a função nunca retorna. Como podemos ver no exemplo abaixo compilado com -O2:
{% tabs %} {% tab title="main.c" %}
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
_Noreturn void goodbye(const char *msg)
{
puts(msg);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
int main(void)
{
goodbye("Sayonara onii-chan! ^-^");
}{% endtab %}
{% tab title="main.s" %}
.text
.p2align 4
.globl goodbye
.type goodbye, @function
goodbye:
endbr64
pushq %rax
popq %rax
subq $8, %rsp
call puts@PLT
xorl %edi, %edi
call exit@PLT
.size goodbye, .-goodbye
.section .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
.LC0:
.string "Sayonara onii-chan! ^-^"
.section .text.startup,"ax",@progbits
.p2align 4
.globl main
.type main, @function
main:
endbr64
pushq %rax
popq %rax
leaq .LC0(%rip), %rdi
subq $8, %rsp
call goodbye
{% endtab %} {% endtabs %}
Nested functions é uma extensão do GCC que permite declarar funções aninhadas. O símbolo de uma função aninhada é gerado de maneira semelhante ao símbolo de uma variável local com storage-class static. Exemplo:
int calc(int a, int b)
{
int add(int a, int b)
{
return a + b;
}
return add(a, b) + add(3, 4);
}Os atributos de função é uma extensão do GCC que permite modificar algumas propriedades relacionadas à uma função. Se define atributos para uma função usando a palavra-chave __attribute__ e entre dois parênteses uma lista de atributos separado por vírgula. Exemplo:
__attribute__((cdecl))
int add(int a, int b)
{
return a + b;
}Alguns atributos recebem parâmetros onde estes devem ser adicionados dentro de mais um par de parênteses, se assemelhando a sintaxe de uma chamada de função. Exemplo: __attribute__((section (".another"), cdecl)).
Abaixo alguns atributos que podem ser usados na arquitetura x86 e acho interessante citar aqui:
Esses atributos fazem com que o compilador gere o código da função usando a convenção de chamada ms_abi, sysv_abi, cdecl, stdcall, fastcall ou thiscall respectivamente. Também é útil usá-los em protótipos de funções onde a função utiliza uma convenção de chamada diferente da padrão.
{% hint style="info" %}
Os atributos cdecl, stdcall, fastcall e thiscall são ignorados em 64-bit.
{% endhint %}
Por padrão o GCC irá adicionar o código das funções na seção .text, porém é possível usar o atributo section para que o compilador adicione o código da função em outra seção. Como no exemplo abaixo:
{% tabs %} {% tab title="main.c" %}
__attribute__((section(".another")))
int add(int a, int b)
{
return a + b;
}{% endtab %}
{% tab title="main.s" %}
.section .another,"ax",@progbits
.p2align 4
.globl add
.type add, @function
add:
endbr64
leal (%rdi,%rsi), %eax
ret
{% endtab %} {% endtabs %}
O atributo naked é usado para desativar a geração do prólogo e epílogo para a função. Isso é útil para se escrever funções usando inline Assembly dentro das mesmas.
Esse atributo serve para personalizar a geração de código do compilador para uma função específica, permitindo selecionar quais instruções serão utilizadas ao gerar o código. Também é possível adicionar o prefixo no- para desabilitar alguma tecnologia e impedir que o compilador gere código para ela. Por exemplo __attribute__((target ("no-sse")) desativaria o uso de instruções ou registradores SSE na função.
Alguns dos possíveis alvos para arquitetura x86 são:
| Ativar as instruções | Desativar as instruções |
|---|---|
| 3dnow | no-3dnow |
| 3dnowa | no-3dnowa |
| abm | no-abm |
| adx | no-adx |
| aes | no-aes |
| avx | no-avx |
| avx2 | no-avx2 |
| avx5124fmaps | no-avx5124fmaps |
| avx5124vnniw | no-avx5124vnniw |
| avx512bitalg | no-avx512bitalg |
| avx512bw | no-avx512bw |
| avx512cd | no-avx512cd |
| avx512dq | no-avx512dq |
| avx512er | no-avx512er |
| avx512f | no-avx512f |
| avx512ifma | no-avx512ifma |
| avx512pf | no-avx512pf |
| avx512vbmi | no-avx512vbmi |
| avx512vbmi2 | no-avx512vbmi2 |
| avx512vl | no-avx512vl |
| avx512vnni | no-avx512vnni |
| avx512vpopcntdq | no-avx512vpopcntdq |
| mmx | no-mmx |
| sse | no-sse |
| sse2 | no-sse2 |
| sse3 | no-sse3 |
| sse4 | no-sse4 |
| sse4.1 | no-sse4.1 |
| sse4.2 | no-sse4.2 |
| sse4a | no-sse4a |
| ssse3 | no-ssse3 |
Já vimos alguns exemplos de código chamando funções da libc, essas funções porém estão em uma biblioteca dinâmica e não dentro do executável. A resolução do endereço (symbol binding) das funções na biblioteca é feito em tempo de execução onde os endereços são salvos na seção GOT (Global Offset Table).
A seção PLT (Procedure Linkage Table) simplesmente armazena saltos para os endereços armazenados na GOT. Por isso o GCC gera chamadas para funções da libc assim:
call puts@PLTO sufixo @PLT indica que o endereço do símbolo está na seção PLT. Onde nessa seção há uma instrução jmp para o endereço que será resolvido em tempo de execução na GOT. Algo parecido com a ilustração abaixo:
# Esse código não funciona, é apenas uma ilustração.
.section .got
real_puts_address.got:
.quad 0
real_printf_address.got:
.quad 0
.section .plt
puts.plt:
jmp *real_puts_address.got
printf.plt:
jmp *real_printf_address.got
.data
message:
.asciz "Hello World!"
.text
my_func:
lea message(%rip), %rdi
call puts.plt
ret
Na sintaxe do NASM o equivalente ao uso do sufixo com @ do GAS é a palavra-chave wrt (With Reference To), conforme exemplo:
extern puts
section .data
message: db "Hello World!", 0
section .text
global assembly
assembly:
lea rdi, [rel message]
call puts wrt ..plt
ret