GAS汇编ELF内核时出现栈指针对齐失效问题

问题描述 #

我正在编写一个玩具操作系统（仅出于学习目的），大致参考了OSDev bare bones教程以及第一版《Writing an OS in Rust》，目前遇到的问题是：用GRUB生成的启动镜像可以在QEMU中成功启动，但之后会出现随机Bug。
排查后发现是栈指针没有正确对齐，页表符号、stack_bottom和stack_top最终都落在同一个奇数地址上，导致所有ret指令都会跳转到错误位置。
相关代码如下：

汇编代码 #

.intel_syntax noprefix
.code32

.set ALIGN,    1<<0             /* align loaded modules on page boundaries */
.set MEMINFO,  1<<1             /* provide memory map */
.set FLAGS,    ALIGN | MEMINFO  /* this is the Multiboot 'flag' field */
.set MAGIC,    0x1BADB002       /* 'magic number' lets bootloader find the header */
.set CHECKSUM, -(MAGIC + FLAGS) /* checksum of above, to prove we are multiboot */
 
.section .multiboot
.align 4
.long MAGIC
.long FLAGS
.long CHECKSUM

.section .bss
.align 16
p4_table:
    .skip 4096
p3_table:
    .skip 4096
p2_table:
    .skip 4096
stack_bottom:
    .skip 4*4096
stack_top:

.section .text
.global _start
.type _start, @function

_start:
    mov esp, stack_top

    call check_multiboot
[...]

链接脚本 #

ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    . = 1M;
 
    .text : ALIGN(4K)
    {
        *(.multiboot)
        *(.text)
    }
 
    .rodata : ALIGN(4K)
    {
        *(.rodata*)
    }
 
    .data : ALIGN(4K)
    {
        *(.data)
    }

    .bss  : ALIGN(4K)
    {
        *(.bss)
        *(COMMON)
    }
}

已经验证栈指针对齐错误是Bug诱因：在gdb中手动将esp调整为16的倍数后，call check_multiboot就可以正常返回。 #

原因分析 #

问题出在GNU汇编器（GAS）的Intel语法取值逻辑上：
在.intel_syntax noprefix语法规则下，mov esp, stack_top的语义是读取stack_top标签指向的内存地址中存储的数值，再赋值给esp寄存器，而非直接把stack_top本身的地址值赋值给esp。
由于.bss段在初始化前内存中是随机值，相当于把随机数赋值给了栈指针，自然会出现栈不对齐、ret指令跳转错误的随机问题。你的链接脚本和段对齐设置本身没有问题，.bss段的align 16以及链接脚本的4K对齐规则都可以保证stack_top的地址是对齐的。 #

解决方案 #

把汇编代码中_start入口处的栈指针赋值语句修改为：

mov esp, OFFSET stack_top

OFFSET关键字会告诉汇编器，你要取的是stack_top这个标签本身的地址值，而不是该地址指向的内存内容，这样就能按照预期把栈顶的正确地址赋值给esp，符合对齐规则。 #

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Christian Kuhl