汇编

程序编码

在编译时指定'-Og'选项让GCC产生符合原始程序结构的机器代码

机器级代码

对C语言隐藏， 但对汇编代码可见的：

• 程序计数器
• 整数寄存器文件
• 条件码寄存器
• 向量寄存器

输出c源码的机器表示

gcc -Og -S mstore.c

机器代码与反汇编的特性：

• x86-64的指令长度从1-15字节不等

• 指令设计的格式， 从某个给定位置， 能将字节唯一解码成机器指令

  哈夫曼编码

• 反汇编无需访问源代码

• 反汇编与gcc的命名规则有些许差别

  比如movq的q在反汇编中会被省略

关于格式的注解

.file    "mstore.c"    .text    .globl    mulstore    .type    mulstore, @functionmulstore:.LFB0:    .cfi_startproc    pushq    %rbx    .cfi_def_cfa_offset 16    .cfi_offset 3, -16    movq    %rdx, %rbx    call    mult2    movq    %rax, (%rbx)    popq    %rbx    .cfi_def_cfa_offset 8    ret    .cfi_endproc.LFE0:    .size    mulstore, .-mulstore    .ident    "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-36)"    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

以上是gcc完整生成的.s文件

所有. 开头的是伪指令， 可以忽略

ATT汇编代码格式

.file    "mstore.c"    .text    .globl    mulstore    .type    mulstore, @functionmulstore:.LFB0:    .cfi_startproc    pushq    %rbx    .cfi_def_cfa_offset 16    .cfi_offset 3, -16    movq    %rdx, %rbx    call    mult2    movq    %rax, (%rbx)    popq    %rbx    .cfi_def_cfa_offset 8    ret    .cfi_endproc.LFE0:    .size    mulstore, .-mulstore    .ident    "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-36)"    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

数据格式

• 8位： 字节(b)
• 16位： 字(w)
• 32位： 双字(l)
• 64位： 四字(q)

访问信息

x86-64的CPU包含一组16个存储64位的通用目的寄存器

63                     31         15          8          0%rax                   %eax       %ax         %ah         %al 返回值%rbx                   %ebx       %bx         %bh         %bl 被调用者保存%rcx                   %ecx       %cx         %ch         %cl 第4个参数%rdx                   %edx       %dx         %dh         %dl 第3个参数%rsi                   %esi       %si                     %sil 第2个参数%rdi                   %edi       %di                     %dil 第1个参数%rbp                   %ebp       %bp                     %bpl 被调用者保存%rsp                   %esp       %sp                     %spl 栈指针%r8                    %r8d       %r8w                    %r8b 第5个参数%r9                    %r9d       %r9w                    %r9b 第6个参数%r10                   %r10d      %r10w                   %r10b 调用者保存%r11                   %r11d      %r11w                   %r11b 调用者保存%r12                   %r12d      %r12w                   %r12b 被调用者保存%r13                   %r13d      %r13w                   %r13b 被调用者保存%r14                   %r14d      %r14w                   %r14b 被调用者保存%r15                   %r15d      %r15w                   %r15b 被调用者保存

每个寄存器都可以作为8位、16位、32位、64位来访问

• %rax %rbx %rcx %rdx 是通用目的64位寄存器，用于存储操作数和计算结果

• %rsi %rdi 是源索引寄存器和目的索引寄存器，通常用于字符串和数据传输

• %rbp %rsp 是基址指针寄存器和栈指针寄存器，用于处理函数调用和栈操作

• %r8 %r9 %r10 %r11 %r12 %r13 %r14 %r15 是额外的通用目的寄存器，用于扩展操作数和寄存器的数量

• 16位操作可以访问2位字节

• 32位操作可以访问4位字节...

操作数指示符

• 立即数： 代表常数

  $后面接c语言表示法的整数

• 寄存器： 表示寄存器里的内容

  $r_a$用来表示寄存器a 用$R[r_a]$表示里面的内容

• 内存引用： 指定内存地址里的内容 M[地址]

数据传送指令

零扩展：用于将较窄的整数类型（如8位或16位整数）扩展为较宽的整数类型（如32位或64位整数），原始数据的低位（等于或小于原始数据位数的位）保持不变，而高位被填充为零

符号扩展：用于将较窄的整数类型（如8位或16位整数）扩展为较宽的整数类型（如32位或64位整数），原始数据的低位（等于或小于原始数据位数的位）保持不变，而高位被填充为原始数据的符号位

压入栈和弹出栈数据

. 将四字压入栈pushq S . 将四字弹出栈popq D

%rsp 是栈指针 %rax是返回值

算术和逻辑操作

加载有效地址

. x= y+x*4leaq    (%rdi,%rsi,4), %rax

一元和二元操作

. 从%edi中减去%esisubl    %esi, %edi

移位操作

. 将x左移四位salq    $4, %rax

特殊的算术操作

控制

条件码

cmp 指令在被执行时，会首先比较两个变量的大小，并根据比较结果，动态调整 CPU 上 FLAGS 寄存器中的相应位

test 指令的执行方式与 cmp 类似，只不过它会对传入的两个操作数做隐式的“与”操作，而非减法操作

这些指令不修改寄存器的值，只设置条件码

cmp     DWORD PTR [rbp-4], 1        jne     .L2        mov     eax, 101        jmp     .L3.L2:        mov     eax, 10.L3:        pop     rbp        ret

对应于

if (num == 1) {    return 101;}return 10;

循环、选择等操作，都是通过 cmp + jmp 来实现的

读取条件码

跳转指令

用条件控制实现分支控制

cmpq    %rsi, %rdi        jg      .L4        movq    %rdi, %rax        subq    %rsi, %rax        ret.L4:        leaq    (%rdi,%rsi), %rax        ret

对应的c代码：

if (x > y){    return x+y;}else{    return x-y;}

用条件传送实现条件分支

分支预测

循环

• do-while

• while

  • guarded-do

• for

switch语句

跳转表：一种用空间换时间的条件匹配策略，这种优化手段通过将每个case标签生成一个唯一的标号，然后创建一个跳转表，其中每个条目对应一个case标签，再通过 jmp 指令，对输入值进行计算，以计算出跳转表的实际索引，然后跳转过去

jmp qword ptr [8*rdi +.LJTIO_0].LJT10_0:  .quad .LBBO 4  ...

函数调用

• 传递控制
• 传递数据
• 分配和释放内存

运行时栈

转移控制

保存当前程序地址，将程序计数器设置为新过程地址 返回时读取保存的地址，继续执行

在 x86-64 架构下，其会通过 call 指令将当前的程序地址压入栈中，并跳转到指定的函数地址，被调用的函数通过 ret 指令返回结果

int foo(int n) {    return n +1;}int main() {    foo(1);    return 1;}

foo(int):        push    rbp        mov     rbp, rsp        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi        mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]        add     eax, 1        pop     rbp        retmain:        push    rbp        mov     rbp, rsp        mov     edi, 1        call    foo(int)        mov     eax, 1        pop     rbp        ret

参数传递

返回值传递

• 函数调用产生整数类型的返回值，且小于等于 64 位时，通过寄存器 rax 进行传递
• 大于 64 位，小于等于 128 位时，则使用寄存器 rax 与 rdx 分别存储返回值的低 64 位与高 64 位
• 对于浮点数类型的返回值，默认使用 xmm0 与 xmm1 寄存器进行存储。而当返回值过大时，则会选择性使用 ymm 与 zmm 来替代 xmm 寄存器

栈上的局部存储

寄存器中的局部存储空间

• 被调用者保存寄存器
• 调用者保存寄存器

递归过程

尾递归优化

在一定条件下，编译器可以直接利用跳转指令取代函数调用指令。尾递归调用的一个重要条件是：递归调用语句必须作为函数返回前的最后一条语句

编译器会使用跳转指令（如je、jne、jle等）来替换函数调用时所使用的 call 指令，这样就

int f(int i, int sum) {    if (i == 0) {        return sum;    }    return (i - 1, sum * i);}

f(int, int):        mov     eax, esi        test    edi, edi        je      .L1        imul    eax, edi.L1:        ret

数组的分配和访问

基本原则

T A[N]

指针运算

&D [ i ] [ j ] = X

_D

L(Ci+j)

定长数组

变长数组

异质的数据结构

都是对地址进行偏移得到的

• 结构
• 联合
• 数据对齐

在机器级程序中将控制与数据结合起来

理解指针

在计算机科学中，指针（Pointer）是编程语言中的一个对象，利用地址，它的值直接指向（points to）存在电脑存储器中另一个地方的值

对于这样的一条语句

int *p = &n;

其会通过 lea 指令找到 n 的地址，然后通过 mov 指令将 n 的值赋给 p

lea     rax, [rbp-12]mov     QWORD PTR [rbp-8], rax

GDB调试器

UNIX及UNIX-like下的调试工具

内存越界引用和缓冲区溢出

对抗缓冲区溢出攻击

• 栈随机化
• 栈破坏检测
• 限制可执行代码区域

变长帧

浮点代码

%ymm0 ~ %ymm15

浮点传送和转换操作

过程中的浮点代码

使用XMM寄存器来传递浮点参数

浮点运算操作

定义和使用浮点常数

浮点操作不能把立即数作为操作数

编译器必须为所有浮点常量初始化存储空间

在浮点代码中使用位级操作

浮点比较操作