Top 50 스택 프레임 The 120 Correct Answer

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함수가 호출되면 스택에는 함수의 매개변수, 호출이 끝난 뒤 돌아갈 반환 주소값, 함수에서 선언된 지역 변수 등이 저장됩니다. 이렇게 스택 영역에 차례대로 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(stack frame)이라고 합니다.

스택 프레임이란?

코딩의 시작, TCP School

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33) 스택 프레임

접속자집계

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스택프레임(Stack Frame) 이란? – eli_ez3r Hacking Blog

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스택 프레임(Stack Frame)

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스택 프레임과 함수 호출(Stack Frames and Function Calls) 본문

Calling Conventions

Flow of Control

스택 프레임과 함수 호출(Stack Frames and Function Calls)

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Stack Frame 본문

What is Stack

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Do it! 코틀린 프로그래밍 - 황영덕 - Google Sách — Do it! 코틀린 프로그래밍 – 황영덕 – Google Sách

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스택 프레임

스택 프레임(stack frame)

메모리의 스택(stack) 영역은 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역입니다.

스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸합니다.

함수가 호출되면 스택에는 함수의 매개변수, 호출이 끝난 뒤 돌아갈 반환 주소값, 함수에서 선언된 지역 변수 등이 저장됩니다.

이렇게 스택 영역에 차례대로 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(stack frame)이라고 합니다.

이러한 스택 프레임 덕분에 함수의 호출이 모두 끝난 뒤에, 해당 함수가 호출되기 이전 상태로 되돌아갈 수 있습니다.

스택 프레임의 동작 방식

예제 int main(void) { func1(); // func1() 호출 return 0; } void func1() { func2(); // func2() 호출 } void func2() { }

다음 그림은 위 예제 코드에서 함수 호출에 의한 스택 프레임의 변화를 보여주고 있습니다.

Step 1. 프로그램이 실행되면, 가장 먼저 main() 함수가 호출되어 main() 함수의 스택 프레임이 스택에 저장됩니다.

Step 2. func1() 함수를 호출하면 해당 함수의 매개변수, 반환 주소값, 지역 변수 등의 스택 프레임이 스택에 저장됩니다.

Step 3. func2() 함수를 호출하면 해당 함수의 스택 프레임이 추가로 스택에 저장됩니다.

Step 4. func2() 함수의 모든 작업이 완료되어 반환되면, func2() 함수의 스택 프레임만이 스택에서 제거됩니다.

Step 5. func1() 함수의 호출이 종료되면, func1() 함수의 스택 프레임이 스택에서 제거됩니다.

Step 6. main() 함수의 모든 작업이 완료되면, main() 함수의 스택 프레임이 스택에서 제거되면서 프로그램이 종료됩니다.

이처럼 스택은 가장 나중에 저장된 데이터가 가장 먼저 인출되는 방식으로 동작합니다.

이러한 방식을 후입선출(LIFO, Last-In First-Out) 방식이라고 합니다.

이때 스택은 푸시(push) 동작으로 데이터를 저장하고, 팝(pop) 동작으로 데이터를 인출합니다.

스택 오버플로우(stack overflow)

앞서 함수의 재귀 호출이 무한히 반복되면, 해당 프로그램은 스택 오버플로우(stack overflow)에 의해 종료된다고 했습니다.

만약 재귀 호출이 무한히 반복되면, 위 그림에서 Step 3 이후로는 재귀 호출에 의한 스택 프레임이 계속해서 쌓여만 갈 것입니다.

이렇게 스택의 모든 공간을 다 차지하고 난 후 더 이상의 여유 공간이 없을 때 또 다시 스택 프레임을 저장하게 되면, 해당 데이터는 스택 영역을 넘어가서 저장되게 됩니다.

이렇게 해당 스택 영역을 넘어가도 데이터가 저장될 수 있으면, 해당 프로그램은 오동작을 하게 되거나 보안상의 크나큰 취약점을 가지게 됩니다.

따라서 C언어에서는 실행 중인 프로그램에서 스택 오버플로우가 발생하면, 에러를 발생하고 곧바로 강제 종료시킵니다.

연습문제

스택프레임(Stack Frame) 이란?

[gate@localhost /tmp]$ gdb -q stack (gdb) set dis int (gdb) disas main Dump of assembler code for function main: 0x80483e8
: push ebp 0x80483e9 : mov ebp,esp 0x80483eb : sub esp,20 0x80483ee : push 0x804846f 0x80483f3 : call 0x8048308 0x80483f8 : add esp,4 0x80483fb : call 0x80483d0 0x8048400 : xor eax,eax 0x8048402 : jmp 0x8048404 0x8048404 : leave 0x8048405 : ret End of assembler dump.

스택 프레임(Stack Frame)

스택 프레임(Stack Frame)

스택에 대해 간단히 짚고 넘어가기

1. 스택 메모리의 역할

(1) 함수 내의 로컬 변수 임시 저장

(2) 함수 호출 시 파라미터 전달

(3) 복귀 주소(return address) 저장

2. FILO 구조 (First In Last Out)

3. 스택의 특징

(1) PUSH

스택에 값을 push할 때 스택 포인터는 스택 탑을 향해 위쪽으로 움직입니다.

(2) POP

스택에 값을 pop할 때에는 스택 포인터는 스택 바텀을 향해 아래쪽으로 움직입니다.

즉, 높은 주소에서 낮은 주소로 스택이 자랍니다.

스택 프레임이란?

스택 프레임이란 ESP(스택 포인터)가 아닌 EBP(베이스 포인터) 레지스터를 사용하여 스택 내의 로컬 변수, 파라미터, 복귀 주소에 접근하는 기법입니다.

스택 프레임 구조

스택 프레임 동작 이해하기

간단한 프로그램을 통해 스택 프레임의 동작을 알아보겠습니다.

1. main() 함수 시작 시 스택 상태

main() 함수 시작 시 스택의 상태입니다. ESP인 19FF2C 주소에는 4012A8이라는 값이 들어있습니다. 4012A8은 함수의 실행이 끝난 후 돌아갈 리턴 주소(return Address)입니다.

2. main() 함수 시작 & 스택 프레임 생성

main() 함수는 시작하자마자 스택 프레임을 생성시킵니다. PUSH EBP로 EBP 값을 스택에 집어넣습니다. main() 함수에서 EBP가 베이스 포인터의 역할을 하게 되므로 EBP가 이전에 가지고 있던 값을 스택에 백업해두기 위한 용도입니다. 나중에 main() 함수가 종료(리턴)되기 전에 이 값을 회복시켜 줍니다.

MOV EBP, ESP로 ESP의 값을 EBP로 옮깁니다. 즉, 이 명령 이후부터 EBP는 현재 ESP와 같은 값을 가지게 됩니다. 그리고 main() 함수가 끝날 때까지 EBP 값은 고정됩니다. 두 명령어에 의해 main() 함수에 대한 스택 프레임이 생성되었습니다.

현재 EBP 값은 19FF28로 ESP와 동일하고, 19FF28 주소에는 19FF70이라는 값이 저장되어 있습니다. 19FF70은 main() 함수를 시작할 때 EBP가 가지고 있던 초기 값입니다.

3. 로컬변수 세팅

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

SUB ESP, 8을 통해 ESP 값에서 8을 뺍니다. ESP에서 8을 빼는 이유는 로컬 변수 a와 b가 long 타입이므로 각각 4바이트 크기를 가져 이 두 변수를 스택에 저장하기 위해서는 총 8바이트가 필요하기 때문입니다. 그래서 ESP에서 8을 빼서 두 변수에게 필요한 메모리 공간을 확보(예약)한 것입니다.

EBP 값은 main() 함수 내에서 고정이므로 이를 기준으로 삼아서 로컬 변수에 접근할 수 있습니다. 두 MOV 명령어들을 해석해보면 ‘[EBP-8] 에는 5를넣고， [EBP-4] 에는 10을 넣어라’입니다. 즉 [EBP-8]은 로컬 변수 a를 의미하고 [EBP-4]는 로결 변수 b를 의미하는것입니다.

4. mul() 함수 파라미터 입력 & mul 함수 호출

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

4010BC 주소에서 mul() 함수를 호출합니다. mul() 함수는 파라미터로 a와 b를 받습니다. 위 4010B4~4010BB 주소의 코드에서 변수 a, b를 스택에 넣고 있습니다. 주목할 내용은 파라미터가 C 언어의 입력 순서와는 반대로 스택에 저장된다는 것입니다. 이를 함수 파라미터의 역순 저장이라고 합니다. 즉, 변수 b([EBP-4])가 스택에 먼저 들어가고 변수 a([EBP-8])가 나중에 들어갑니다.

CALL 명령어가 실행되어 해당 함수로 들어가기 전에 CPU는 무조건 해당 함수가 종료될 때 복귀할 주소(return address)를 스택에 저장합니다. 4010BC 주소에서 mul() 함수를 호출하였고, 그 다음 명령어의 주소는 4010C1입니다. 따라서 mul() 함수의 실행이 완료되면 4010C1 주소로 돌아와야합니다. 이 주소(4010C1)가 바로 mul() 함수의 복귀 주소입니다.

5. mul() 함수 시작 & 스택 프레임 생성

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

mul() 함수가 시작되면 자신만의 스택 프레임을 따로 생성합니다. 원래의 EBP 값을 스택에 저장 후 현재의 ESP를 EBP에 입력합니다. 이제 mul() 함수의 스택 프레임이 생성 되었습니다.

6. mul() 함수의 로컬 변수 x, y 세팅

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

7. IMUL 연산

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

변수 x의 값([EBP-4] = 5)을 EAX에 넣습니다.

곱셈 연산 명령어 IMUL을 통해 EAX에 변수 y의 값([EBP-8] = 10)을 곱합니다. EAX의 값은 50이 되었습니다.

8. 스택 프레임 해제 & mul() 함수 종료

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

이제 mul() 함수가 리턴되어야 합니다. 그 전에 mul() 함수의 스택 프레임을 해제하겠습니다.

현재의 EBP 값을 ESP에 옮깁니다. mul() 함수를 시작할 때의 ESP 값을 EBP에 넣어 두었다가 함수가 종료될 때 ESP를 원래대로 복원시키는 것입니다.

POP EBP로 mul() 함수가 시작되면서 스택에 백업한 EBP 값을 복원합니다. mul() 함수의 스택 프레임이 해제되었습니다.

현재 ESP는 19FF14이고 그 안에 들어있는 주소값 4010C1은 앞에서 CPU가 스택에 입력한 복귀 주소입니다. (4. mul() 함수 파라미터 입력 & mul 함수 호출 참고)

RETN 명령어가 실행되면 스택에 저장된 복귀 주소로 리턴합니다. 또한 스택도 mul() 함수를 호출하기 전의 스택 상태로 완벽히 되돌아 왔습니다.

9. mul() 함수 파라미터 제거

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

이제 main() 함수 코드로 돌아왔습니다. mul() 함수가 완전히 종료되었기 때문에 파라미터 a, b도 더 이상 필요가 없습니다. 따라서 ESP에 8을 더하여 스택을 정리합니다.

10. printf() 함수 호출

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

11. 리턴 값 세팅 & 스택 프레임 해제 & main() 함수 종료

이 코드 부분에 해당되는 내용입니다.

main() 함수의 리턴 값 0을 세팅합니다.

‘XOR’ 명령어는 Exclusive OR bit 연산입니다. 같은 값끼리 XOR하면 0이 되는 특징이 있습니다. MOV EAX, 0 명령어보다 실행 속도가 빨라서 위와 같이 레지스터를 초기화 시킬 때 많이 시용됩니다.

이제 메인 함수가 종료됩니다. mul() 함수와 마찬가지로 리턴하기 전에 스택 프레임을 해제합니다. MOV와 POP 명령어로 main() 함수의 스택 프레임이 해제되었습니다. 그리고 main() 함수의 로컬 변수인 a, b 역시 더 이상 유효하지 않습니다.

참고

– 리버싱 핵심 원리(이승원)

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스택프레임(Stack Frame) 이란? – eli_ez3r Hacking Blog

스택 프레임(Stack Frame)

스택 프레임과 함수 호출(Stack Frames and Function Calls)

Stack Frame ?

Do it! 코틀린 프로그래밍 – 황영덕 – Google Sách

05. 스택, 스택프레임

스택 프레임(Stack Frame)이란?

스택 프레임 && 메모리의 동적 할당

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스택프레임(Stack Frame) 이란?

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