Funções e Pilha

Apesar de não estudarmos todos os aspectos da linguagem Assembly, alguns assuntos são de extrema importância, mesmo para os fundamentos da engenharia reversa de software. Um deles é como funcionam as funções criadas em um programa e suas chamadas, que discutiremos agora.

O que é uma Função

Basicamente, uma função é um bloco de código reutilizável num programa. Tal bloco faz-se útil quando um determinado conjunto de instruções precisa ser invocado em vários pontos do programa. Por exemplo, suponha um programa em Python que precise converter a temperatura de Fahrenheit para Celsius várias vezes no decorrer de seu código. Ele pode ser escrito assim:

fahrenheit = 230.4
celsius = (fahrenheit - 32) * 5 / 9
print(celsius)

fahrenheit = 130.3
celsius = (fahrenheit - 32) * 5 / 9
print(celsius)

fahrenheit = 90.1
celsius = (fahrenheit - 32) * 5 / 9
print(celsius)

O programa funciona e a saída é a esperada:

110.22222222222223
54.611111111111114
32.27777777777778

No entanto, é pouco prático, pois repetimos o mesmo código várias vezes. Além disso, uma versão compilada fica maior em bytes. Toda esta repetição também prejudica a manutenção do código, pois se o programador precisar fazer uma alteração no cálculo, vai ter que alterar em todos eles. É aí que entram as funções. Analise a seguinte versão do mesmo programa:

def fahrenheit2celsius(fahrenheit):
    return (fahrenheit - 32) * 5 / 9

celsius = fahrenheit2celsius(230.4)
print(celsius)

celsius = fahrenheit2celsius(130.3)
print(celsius)

celsius = fahrenheit2celsius(90.1)
print(celsius)

A saída é a mesma, mas agora o programa está utilizando uma função, onde o cálculo só foi definido uma única vez e toda vez que for necessário, o programa a chama.

Uma função normalmente tem:

  1. Argumentos, também chamados de parâmetros, que são os dados que a função recebe, necessários para cumprir seu propósito.

  2. Retorno, que é o resultado da conclusão do seu propósito, seja bem sucedida ou não.

  3. Um nome (na visão do programador) ou um endereço de memória (na visão do processador).

Agora cabe a nós estudar como isso tudo funciona em baixo nível.

Nos primórdios da computação as funções eram chamadas de procedimentos (procedures). Em algumas linguagens de programação, no entanto, possuem tanto funções quanto procedimentos. Estes últimos são "funções que não retornam nada". Já no paradigma da programação orientada a objetos (POO), as funções de uma classe são chamadas de métodos.

Funções em Assembly

Em baixo nível, uma função é implementada basicamente num bloco que não será executado até ser chamado por uma instrução CALL. Ao final de uma instrução, encontramos normalmente a instrução RET. Vamos analisar uma função simples de soma para entender:

#include <stdio.h>

int soma(int x, int y) {
  return x+y;
}

int main(void) {
  printf("%d\n", soma(3,4));
  return 0;
}

Olha como ela fica compilada no Linux em 32-bits:

0804840b <soma>:
 804840b:       55                      push   ebp
 804840c:       89 e5                   mov    ebp,esp
 804840e:       8b 55 08                mov    edx,DWORD PTR [ebp+0x8]
 8048411:       8b 45 0c                mov    eax,DWORD PTR [ebp+0xc]
 8048414:       01 d0                   add    eax,edx
 8048416:       5d                      pop    ebp
 8048417:       c3                      ret

08048418 <main>:
...
 8048429:       6a 04                   push   0x4
 804842b:       6a 03                   push   0x3
 804842d:       e8 d9 ff ff ff          call   804840b <soma>
 8048432:       83 c4 08                add    esp,0x8

Removi partes do código intencionalmente, pois o objetivo neste momento é apresentar as instruções que implementam as chamadas de função. Por hora, você só precisa entender que a instrução CALL (no endereço 0x804842d em nosso exemplo) chama a função soma() em 0x0804840b e a instrução RET (em 0x8048417) retorna para a instrução imediatamente após a CALL (0x8048432), para que a execução continue.

A Pilha de Memória

A memória RAM para um processo é dividida em áreas com diferentes propósitos. Uma delas é a pilha, ou stack.

Essa área de memória funciona de forma que o que é colocado lá fique no topo e o último dado colocado na pilha seja o primeiro a ser retirado, como uma pilha de pratos ou de cartas de baralho mesmo. Esse método é conhecido por LIFO (Last In First Out).

Seu principal uso é no uso de funções, tanto para passagem de argumentos (parâmetros da função) quanto para alocação de variáveis locais da função (que só existem enquanto a função executa).

Na arquitetura IA-32, a pilha é alinhada em 4 bytes (32-bits). Por consequência, todos os seus endereços também o são. Logo, se novos dados são colocados na pilha (empilhados), o endereço do topo é decrementado em 4 unidades. Se um dado for desempilhado, o endereço do topo é incrementado em 4 unidades. Perceba a lógica invertida, porque a pilha começa num endereço alto e cresce em direção a endereços menores.

Existem dois registradores diretamente associados com a pilha de memória alocada para um processo. São eles:

  • O ESP, que aponta para o topo da pilha.

  • O EBP, que aponta para a base do stack frame.

Veremos agora as instruções de manipulação de pilha. A primeira é a instrução PUSH (do inglês "empurrar") que, como o nome sugere, empilha um dado. Na forma abaixo, essa instrução faz com que o processador copie o conteúdo do registrador EAX para o topo da pilha:

push eax

Também é possível empilhar um valor literal. Por exemplo, supondo que o programa coloque o valor um na pilha:

push 1

Além de copiar o valor proposto para o topo da pilha, a instrução PUSH decrementa o registrador ESP em 4 unidades, conforme já explicado o motivo. Sempre.

Sua instrução antagônica é a POP, que só precisa de um registrador de destino para copiar lá o valor que está no topo da pilha. Por exemplo:

pop edx

Seja lá o que estiver no topo da pilha, será copiado para o registrador EDX. Além disso, o registrador ESP será incrementado em 4 unidades. Sempre.

Temos também a instrução CALL, que faz duas coisas:

  1. Coloca o endereço da próxima instrução na pilha de memória (no caso do exemplo, 0x8048432).

  2. Coloca o seu parâmetro, ou seja, o endereço da função a ser chamada, no registrador EIP (no exemplo é o endereço 0x804840b).

Por conta dessa atualização do EIP, o fluxo é desviado para o endereço da função chamada. A ideia de colocar o endereço da próxima instrução na pilha é para o processador saber para onde tem que voltar quando a função terminar. E, falando em terminar, a estrela do fim da festa é a instrução RET (de RETURN). Ela faz uma única coisa:

  1. Retira um valor do topo da pilha e coloca no EIP.

Isso faz com que o fluxo de execução do programa volte para a instrução imediatamente após a CALL, que chamou a função.

Análise da MessageBox

Vamos agora analisar a pilha de memória num exemplo com a função MessageBox, da API do Windows:

00401516 | push 31                                     |
00401518 | push msgbox.404000                          | 404000:"Johnny"
0040151D | push msgbox.404007                          | 404007:"Cash"
00401522 | push 0                                      |
00401524 | call <user32.MessageBoxA>                   |

Perceba que quatro parâmetros são empilhados antes da chamada à MessageBoxA (versão da função MessageBox que recebe strings ASCII, por isso o sufixo A).

Os parâmetros são empilhados na ordem inversa.

Já estudamos o protótipo desta função no capítulo que apresenta a Windows API e por isso sabemos que o 0x31, empilhado em 00401516, é o parâmetro uType e, se o decompormos, veremos que 0x31 é um OU entre 0x30 (MB_ICONEXCLAMATION) e 0x1 (MB_OKCANCEL).

O próximo parâmetro é o número 404000, um ponteiro para a string "Johnny", que é o título da mensagem. Depois vem o ponteiro para o texto da mensagem e por fim o zero (NULL), empilhado em 00401522, que é o handle.

O resultado é apresentado a seguir:

É importante perceber que, após serem compreendidos, podemos controlar estes parâmetros e alterar a execução do programa conforme quisermos. Este é o assunto do próximo capítulo, sobre depuração.

Assembly é, por si só, um assunto extenso e bastante atrelado à arquitetura e ao sistema operacional no qual se está trabalhando. Este capítulo apresentou uma introdução ao Assembly Intel x86 e considerou o Windows como plataforma. Dois bons recursos de Assembly, que tomam o Linux como sistema base, são os livros gratuito Aprendendo Assembly, do Felipe Silva e Linguagem Assembly para i386 e x86-64, do Frederico Pissara.

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