اتفاقيات استدعاء X86 (X86 Calling Conventions)

أهمية اتفاقيات الاستدعاء

تلعب اتفاقيات الاستدعاء دورًا حيويًا في ضمان التوافق بين الوحدات البرمجية المختلفة. تسمح هذه الاتفاقيات للبرامج، التي قد تكون مكتوبة بواسطة مبرمجين مختلفين أو مترجمة باستخدام أدوات مختلفة، بالعمل معًا بسلاسة. تخيل سيناريو حيث تقوم دالة باستدعاء دالة أخرى. يجب أن يكون هناك اتفاق حول:

كيفية تمرير البيانات إلى الدالة المستدعاة (الوسائط).
أين يتم تخزين عنوان العودة حتى تتمكن الدالة المستدعاة من العودة إلى المكان الصحيح.
كيفية الحفاظ على قيم السجلات التي قد تحتاج الدالة المستدعاة إلى استخدامها.
كيفية استرجاع القيمة التي تقوم الدالة بإرجاعها.

بدون اتفاقيات استدعاء قياسية، سيكون التفاعل بين الدوال مختلفًا وغير متوقع، مما يؤدي إلى أخطاء فادحة في البرامج.

أنواع اتفاقيات الاستدعاء في X86

هناك عدة اتفاقيات استدعاء مستخدمة في معالجات x86، ولكل منها خصائصه وميزاته. تشمل هذه الاتفاقيات:

اتفاقية C (C Calling Convention)

تُعرف أيضًا باسم __cdecl، وهي اتفاقية الاستدعاء الافتراضية المستخدمة في العديد من مترجمات C و ++C. في هذه الاتفاقية:

يتم دفع الوسائط إلى المكدس (Stack) من اليمين إلى اليسار.
المستدعي (Caller) مسؤول عن تنظيف المكدس، أي إزالة الوسائط بعد انتهاء الدالة المستدعاة.
تُرجع القيمة الإرجاعية في السجل EAX (أو RAX في 64 بت).
تتميز هذه الاتفاقية بمرونة أكبر ولكنها قد تؤدي إلى زيادة في حجم الكود بسبب الحاجة إلى تنظيف المكدس في كل استدعاء دالة.

اتفاقية stdcall (stdcall Calling Convention)

تستخدم هذه الاتفاقية عادة في برامج Windows API. في هذه الاتفاقية:

يتم دفع الوسائط إلى المكدس من اليمين إلى اليسار.
الدالة المستدعاة (Callee) مسؤولة عن تنظيف المكدس.
تُرجع القيمة الإرجاعية في السجل EAX (أو RAX في 64 بت).
تعتبر stdcall أكثر كفاءة من __cdecl لأنها لا تتطلب من المستدعي تنظيف المكدس، مما يقلل من حجم الكود.

اتفاقية fastcall (fastcall Calling Convention)

اتفاقية استدعاء مصممة لتحسين السرعة عن طريق تمرير الوسائط في السجلات، قدر الإمكان، بدلاً من المكدس. هناك إصدارات مختلفة من fastcall، ولكن بشكل عام:

يتم تمرير الوسائط الأولى إلى السجلات (عادة ECX و EDX في 32 بت، و RCX و RDX في 64 بت).
يتم دفع الوسائط المتبقية إلى المكدس من اليمين إلى اليسار.
الدالة المستدعاة (Callee) مسؤولة عن تنظيف المكدس (إذا تم استخدام المكدس).
تُرجع القيمة الإرجاعية في السجل EAX (أو RAX في 64 بت).
تتميز fastcall بأداء أفضل بسبب تقليل الوصول إلى الذاكرة، ولكنها قد تكون أقل مرونة من حيث عدد الوسائط التي يمكن تمريرها عبر السجلات.

اتفاقية thiscall (thiscall Calling Convention)

تستخدم هذه الاتفاقية في ++C عند استدعاء طرق الأعضاء (member methods) في الكائنات. تختلف هذه الاتفاقية اعتمادًا على المترجم، ولكن بشكل عام:

يتم تمرير المؤشر ‘this’ (الذي يشير إلى الكائن) في السجل ECX (أو RCX في 64 بت).
يتم دفع الوسائط المتبقية إلى المكدس.
يتم تنظيف المكدس بواسطة الدالة المستدعاة (Callee).
تُرجع القيمة الإرجاعية في السجل EAX (أو RAX في 64 بت).

اتفاقيات أخرى

بالإضافة إلى الاتفاقيات المذكورة أعلاه، قد توجد اتفاقيات أخرى خاصة بمترجمات أو أنظمة تشغيل معينة. من المهم دائمًا مراجعة وثائق المترجم أو نظام التشغيل لمعرفة تفاصيل اتفاقية الاستدعاء المستخدمة.

تفاصيل المكدس (Stack)

المكدس (Stack) هو جزء من الذاكرة يستخدم لتخزين البيانات المؤقتة، مثل الوسائط، والعناوين التي يجب العودة إليها، والمتغيرات المحلية للدوال. يلعب المكدس دورًا حاسمًا في اتفاقيات الاستدعاء.

مؤشر المكدس (ESP/RSP): يشير إلى قمة المكدس. يتم استخدامه لإضافة وإزالة العناصر من المكدس.
إطار المكدس (EBP/RBP): يستخدم غالبًا للإشارة إلى بداية إطار المكدس الحالي. يتم استخدامه للوصول إلى الوسائط والمتغيرات المحلية.
دفع (Push) و سحب (Pop): تستخدم الأوامر push لدفع البيانات إلى المكدس، و pop لسحب البيانات منه.

عملية استدعاء الدالة

لفهم كيفية عمل اتفاقيات الاستدعاء، دعنا نلقي نظرة على الخطوات التي تحدث عند استدعاء دالة:

إعداد الوسائط: يتم دفع الوسائط إلى المكدس أو تمريرها في السجلات، وفقًا لاتفاقية الاستدعاء.
تخزين عنوان العودة: يتم دفع عنوان العودة (عنوان الأمر التالي بعد استدعاء الدالة) إلى المكدس.
الانتقال إلى الدالة: يتم الانتقال إلى عنوان الدالة المستدعاة.
إنشاء إطار المكدس (اختياري): قد تقوم الدالة المستدعاة بإنشاء إطار مكدس جديد لتخزين المتغيرات المحلية.
تنفيذ الدالة: يتم تنفيذ تعليمات الدالة المستدعاة.
استرجاع القيمة (اختياري): يتم وضع القيمة الإرجاعية في السجل المحدد (عادة EAX أو RAX).
استعادة إطار المكدس (اختياري): يتم استعادة إطار المكدس القديم.
العودة: يتم سحب عنوان العودة من المكدس والقفز إليه.
تنظيف المكدس (وفقًا للاتفاقية): يقوم المستدعي أو المستدعى بتنظيف المكدس عن طريق إزالة الوسائط.

أمثلة بلغة التجميع (Assembly)

لإلقاء نظرة أكثر تفصيلاً، دعنا نلقي نظرة على أمثلة بسيطة بلغة التجميع (الافتراضات هنا لبيئة 32 بت):

مثال 1: __cdecl

المستدعي (Caller):

push 10 ; تمرير الوسيط الأول
push 20 ; تمرير الوسيط الثاني
call my_function ; استدعاء الدالة
add esp, 8 ; تنظيف المكدس (2 * 4 بايت = 8 بايت)

الدالة المستدعاة (Callee):

my_function:
  push ebp ; حفظ قيمة ebp القديمة
  mov ebp, esp ; إنشاء إطار مكدس جديد
  ; هنا يتم تنفيذ العمليات باستخدام الوسائط (يمكن الوصول إليها عبر [ebp+8] و [ebp+12])
  pop ebp ; استعادة ebp
  ret ; العودة

في هذا المثال، المستدعي مسؤول عن تنظيف المكدس بعد انتهاء الدالة.

مثال 2: stdcall

المستدعي (Caller):

push 10 ; تمرير الوسيط الأول
push 20 ; تمرير الوسيط الثاني
call my_function ; استدعاء الدالة
; لا يوجد تنظيف للمكدس هنا

الدالة المستدعاة (Callee):

my_function:
  push ebp ; حفظ قيمة ebp القديمة
  mov ebp, esp ; إنشاء إطار مكدس جديد
  ; هنا يتم تنفيذ العمليات باستخدام الوسائط (يمكن الوصول إليها عبر [ebp+8] و [ebp+12])
  pop ebp ; استعادة ebp
  ret 8 ; العودة وتعديل المكدس لإزالة الوسائط (2 * 4 بايت = 8 بايت)

في هذا المثال، الدالة المستدعاة مسؤولة عن تنظيف المكدس.

التوافقية والاعتبارات الأخرى

يعد فهم اتفاقيات الاستدعاء أمرًا بالغ الأهمية عند التعامل مع:

الربط مع لغات مختلفة: عند ربط الكود المكتوب بلغات مختلفة (مثل C و Assembly)، يجب التأكد من استخدام نفس اتفاقية الاستدعاء.
البرمجة على مستوى النظام (System-level programming): يجب فهم اتفاقيات الاستدعاء عند كتابة برامج تعمل مباشرة مع نظام التشغيل أو الأجهزة.
التحليل العكسي (Reverse engineering): يساعد فهم اتفاقيات الاستدعاء في تحليل الكود الثنائي (binary code).
التحسين (Optimization): يمكن لاختيار اتفاقية الاستدعاء الصحيحة تحسين أداء البرنامج.

التحديات الشائعة

قد يواجه المبرمجون بعض التحديات المتعلقة باتفاقيات الاستدعاء، مثل:

اختيار الاتفاقية الخاطئة: يؤدي إلى سلوك غير متوقع وأخطاء فادحة.
عدم توافق أنواع البيانات: قد تتسبب الاختلافات في أنواع البيانات في مشكلات عند تمرير الوسائط.
مشكلات المكدس: قد تؤدي الأخطاء في التعامل مع المكدس إلى تجاوز سعة المكدس (stack overflow).

نصائح وأفضل الممارسات

استخدم اتفاقية الاستدعاء الافتراضية للمترجم (default calling convention): ما لم يكن هناك سبب مقنع لاستخدام اتفاقية مختلفة.
تحقق من وثائق المترجم: للحصول على معلومات دقيقة حول اتفاقيات الاستدعاء المستخدمة.
كن حذرًا عند التعامل مع لغات مختلفة: تأكد من التوافق بين اتفاقيات الاستدعاء المستخدمة في اللغات المختلفة.
استخدم أدوات التصحيح (debugging tools): للمساعدة في تحديد المشكلات المتعلقة باتفاقيات الاستدعاء.

خاتمة

تعد اتفاقيات استدعاء X86 جزءًا أساسيًا من البرمجة على مستوى منخفض. يوفر فهم هذه الاتفاقيات رؤى قيمة حول كيفية عمل البرامج وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. سواء كنت مبرمجًا مبتدئًا أو خبيرًا، فإن إتقان هذه الاتفاقيات أمر بالغ الأهمية لكتابة كود فعال ومتوافق.

المراجع

“`