03-程序的機(jī)器級表示
在編譯結(jié)束、匯編開始之前，會生成.s程序，這個程序中存放的是代碼到匯編的匯編指令。然后再將.s文件通過匯編器生成.o二進(jìn)制文件。我們來做個實驗看看一個代碼編程匯編是什么樣子，然后二進(jìn)制.o文件通過objdump反匯編后是什么樣子（這里需要說明一下，objdump是一個反匯編工具。匯編器將匯編代碼翻譯成二進(jìn)制的機(jī)器代碼，機(jī)器代碼無法被查看，那么反匯編器就是將機(jī)器代碼翻譯成匯編代碼）
long mult2(long, long);
void mulstore(long x, long y, long *dest) {
long t = mult2(x, y);
*dest = t;
}
如上實例代碼通過gcc指令編譯生成.s匯編代碼：
gcc -Og -S mstore.c
生成匯編.s代碼如下：
其中以.開頭的都是匯編鏈接相關(guān)的偽指令，我們將其忽略，剩余的代碼即為邏輯相關(guān)：
pushq指令執(zhí)行的操作是，將寄存器rbx的值壓棧，并且棧頂指針由高地址向低地址偏移：
如上圖，pushq %rbx等價于：
subq $8, %rsp
movq %rbx, (%rsp)
首先給棧指針減去直接數(shù)8，即讓地址發(fā)生一個字偏移，然后將需要存放的值由rbx寄存器移動至rsp棧指針指向的區(qū)域。程序之所以將rbx寄存器的值壓棧，主要是進(jìn)行保存操作，以便于匯編代碼執(zhí)行完畢后恢復(fù)rbx的值，如上述代碼中的popq %rbx，將棧頂元素彈出。
關(guān)于匯編，需要補(bǔ)充說明一些內(nèi)容，在Inter x86-64的處理器中包含了16個通用目的的寄存器，這些寄存器用來存放整數(shù)數(shù)據(jù)和指針。分別如下：
可以看到16個寄存器名字均以%r開頭，在詳細(xì)介紹寄存器的功能之前，我們首先需搞清楚兩個概念：調(diào)用者保存寄存器和被調(diào)用者保存寄存器。
程序中經(jīng)常會有某個函數(shù)調(diào)用另一個函數(shù)，那么發(fā)起調(diào)用的就是調(diào)用者，被調(diào)用的函數(shù)就是被調(diào)用者。
上圖理論上提到了有兩種保存方式，調(diào)用者保存和被調(diào)用者保存，通常由于寄存器的數(shù)量是有限的，我們在對某個函數(shù)進(jìn)行調(diào)用的時候，被調(diào)用的函數(shù)可能也會使用寄存器，因此寄存器在源調(diào)函數(shù)中的值可能會被覆蓋修改，所以我們需要保存相關(guān)值，保存方法如下：
對于具體使用調(diào)用者保存寄存器還是被調(diào)用者保存寄存器的方式，不同的寄存器有不同的措施，以下是使用調(diào)用者保存寄存器和被調(diào)用者保存寄存器策略的劃分：
實際上rbx寄存器只能使用被調(diào)用者保存寄存器的策略，回到剛才的代碼可以看到：
上面的代碼中，相對于main函數(shù)而言，mulstore函數(shù)是被調(diào)用者，當(dāng)進(jìn)入被調(diào)用者時，后續(xù)的一系列操作都將可能對rbx寄存器進(jìn)行修改，因此我們會首先將rbx寄存器的值入棧，然后再程序返回前通過popq %rbx將棧頂元素彈出至rbx寄存器中，達(dá)到恢復(fù)的目的。我們可以看到第二句執(zhí)行了movq指令，將寄存器rdx中的值存放至rbx中，那有同學(xué)就要問了，我們怎么知道我們要去操作rdx寄存器呢？為什么不能是rsi寄存器或者rax寄存器？如果有這樣的問題，說明對每個寄存器特定功能不了解，接下來我們先去了解幾個主要寄存器的功能：
可以看到rax一般用于存放要返回的值，rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9分別用于存放當(dāng)前函數(shù)的六個參數(shù)值，這七個寄存器均采用調(diào)用者保存寄存器策略，rsp寄存器在上面提到過，是棧頂指針寄存器。
指令通常都有后綴，如pushq中的q，代表著8字節(jié)，更多匯編碼后綴如下圖所示：
繼續(xù)分析我們的代碼，根據(jù)上面不同寄存器具有不同功能得知，mulstore函數(shù)的三個參數(shù)分別保存至rdi、rsi、rdx中：
那么call則是調(diào)用mult2函數(shù)，可以看到rbx寄存器外加了括號，這類似C語言中指針解引用，說明rbx存放的是地址，我們通過地址尋找到具體地址中存放的值，即代碼中dest指針指向的值，然后將rax寄存器的值移動至rbx中，rax存放著mult2函數(shù)的返回值。最終將rbx寄存器通過popq恢復(fù)。
一開始提到objdump反匯編操作，首先通過gcc -Og -c mstore.c生成mstore.o二進(jìn)制機(jī)器代碼文件，然后通過objdump -d mstore.o將二進(jìn)制機(jī)器代碼反匯編至匯編代碼，具體結(jié)果如圖，在我的CentOS 7.3中貼圖如下：
寄存器指令，大多數(shù)指令包含兩部分：操作碼和操作數(shù)。大多數(shù)指令具有一個或多個操作數(shù)，ret返回指令則沒有操作數(shù)。在AT&T格式匯編中，立即數(shù)以$符號開頭，后跟一個C語言定義的整數(shù)。操作數(shù)是寄存器的情況，即使在64位的處理器上，不僅64位的寄存器可以作為操作數(shù)，32位、16位甚至8位的寄存器都可以作為操作數(shù)。3寄存器帶小括號表示內(nèi)存引用。我們通常將內(nèi)存抽象成一個字節(jié)數(shù)組，當(dāng)需要從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)時，需要獲得目的數(shù)據(jù)的起始地址addr，以及數(shù)據(jù)長度b。為了簡便，通常會省略下標(biāo)b。
有效地址是通過立即數(shù)與基址寄存器的值相加，再加上變址寄存器與比例因子的乘積。
需要注意，比例因子s取值必須是1、2、4、8。實際上比例因子的取值是與源代碼中定義的數(shù)組類型的是相關(guān)的，編譯器會根據(jù)數(shù)組的類型來確定比例因子的數(shù)值，例如：定義char類型的數(shù)組，比例因子就是1，int類型，比例因子就是4，至于double類型比例因子就是8。
尋址方式
上圖中，RB是基址寄存器、RI是變址寄存器。
mov指令
mov含有兩個操作數(shù)，一個是源操作數(shù)，另一個是目的操作數(shù)。源操作數(shù)可以是立即數(shù)、寄存器、內(nèi)存引用等。目的操作數(shù)是用來存放源操作數(shù)內(nèi)容的，因此目的操作數(shù)可為寄存器或內(nèi)存引用等，目的操作數(shù)不能是立即數(shù)。我們在mov指令后經(jīng)常看到movq、movw、movb等的形式，代表移動的位數(shù)，指令mov的后綴一定要和寄存器的大小進(jìn)行匹配，如果是32位寄存器，就需要movl；如果是64位寄存器，就需要movq：
需要注意，x86_64處理器有一條限制，mov指令的源操作數(shù)和目的操作數(shù)不能都是內(nèi)存的地址，當(dāng)需要將一個數(shù)從內(nèi)存的一個位置復(fù)制到另一個位 置時，需要兩條mov指令來完成；第一條指令將內(nèi)存源位置的數(shù)值加載到寄存器；第二條指令再將該寄存器的值寫入內(nèi)存的目的位置。
mov指令源操作數(shù)是立即數(shù)Imm時，立即數(shù)只能32位補(bǔ)碼，對該32位源操作數(shù)進(jìn)行符號位擴(kuò)展，傳送至64位目的位置（可以是寄存器也可以是內(nèi)存）。
如果要將64位補(bǔ)碼移動至寄存器（而不能是內(nèi)存）中，可以使用movabsq指令，該指令只能將64位補(bǔ)碼移動至寄存器中而非內(nèi)存，這里需要注意。
mov指令如何修改目的寄存器的內(nèi)容？
movabsq $0x0011223344556677, %rax，指的是將立即數(shù)存放至寄存器中，如下圖所示：
現(xiàn)在要將一個只有8位的立即數(shù)-1復(fù)制到寄存器al當(dāng)中，那么首先什么是al寄存器？其實在寄存器發(fā)展當(dāng)中，隨著寄存器位數(shù)的增加，很多寄存器的低位依然保留原來的名字，高位衍生出新的名字具體如下：
所以al寄存器實際上就是rax寄存器的低8位，那么回到剛才，將8位立即數(shù)-1復(fù)制到寄存器al中，使用movb指令：movb $-1, %al，寄存器低8位發(fā)生改變，那么為什么是全F呢，因為-1的補(bǔ)碼是全F，寄存器存放的是立即數(shù)的補(bǔ)碼：
那如果要將低16位的立即數(shù)-1復(fù)制到寄存器中，首先得復(fù)制ax寄存器，ax寄存器是rax寄存器的低16位，其次要用到命令movw，即movw $-1, %ax：
我們上面說到如果64位寄存器rax中，移入32位的立即數(shù)，那么要進(jìn)行符號位擴(kuò)展，但是目前我們是將32位立即數(shù)移動至32位寄存器eax當(dāng)中，那么寄存器高4字節(jié)應(yīng)當(dāng)置0，這是x86_64處理器的規(guī)定，比如現(xiàn)在要將32位立即數(shù)-1復(fù)制到32位寄存器eax當(dāng)中，使用movl指令，movl $-1, %eax：
總結(jié)如下：
以上介紹了mov指令的位擴(kuò)展等操作，但是都基于一個前提那就是源操作數(shù)與目的操作數(shù)的數(shù)位相同。
當(dāng)源操作數(shù)位小于目的操作數(shù)的數(shù)位時，需要對目的操作數(shù)剩余字節(jié)進(jìn)行零擴(kuò)展或符號位擴(kuò)展，具體是哪種擴(kuò)展，與指令相關(guān)。零擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳送指令有5條，指令后z是zero的縮寫；符號位擴(kuò)展傳送指令有6條，指令后s是sign的縮寫。接下來的第一個字母是源操作數(shù)大小，第二個字母表示目的操作數(shù)的大小，指令如圖所示：
可以看到符號擴(kuò)展比零擴(kuò)展多一條4字節(jié)到8字節(jié)的擴(kuò)展指令movslq，為何零擴(kuò)展無movzlq？是因為movl指令可實現(xiàn)該擴(kuò)展，即我們上面提到的，如movl $-1, %eax，當(dāng)?shù)?code>32位使用F填充后，高32位必須置0，即movl實現(xiàn)了類似于movzlq的功能，所以無需指令movzlq。同時需要說明符號位擴(kuò)展中的cltq指令，該指令的源操作數(shù)總是寄存器eax，目的操作數(shù)總是寄存器rax，cltq的效果等價于執(zhí)行了movslq %eax, %rax，即將eax高32位用符號位擴(kuò)展。
數(shù)據(jù)傳送
對一個執(zhí)行的程序而言，若要計算加法\(c = a+b\)，那么需要將數(shù)據(jù)通過內(nèi)存總線和系統(tǒng)總線從內(nèi)存中寫入寄存器中，然后通過CPU內(nèi)部的邏輯運算單元ALU來計算a和b的加法，將返回值寫給rax、eax、ax、al等相關(guān)位數(shù)寄存器（具體使用哪個和數(shù)據(jù)類型字寬有關(guān)），需要再次說明，之所以ALU的結(jié)果放到rax中，因為rax這個特定寄存器的功能就是用來存放返回值的。
舉個例子，我們來看下如下代碼，分析其匯編執(zhí)行流程：
我們使用gcc -Og -S exchange.c單獨對exchange函數(shù)進(jìn)行匯編，生成匯編代碼主要指令如下：
exchange:
movq (%rdi), %rax
movq %rsi, (%rdi)
ret
根據(jù)之前的學(xué)習(xí)，我們知道第一個參數(shù)存放的位置在rdi中，第二個參數(shù)存放的位置在rsi中（均為long四字類型）。所以xp指針指向的值的地址保存在rdi中，y的值存放在rsi中，函數(shù)exchange主要有三條指令實現(xiàn)，包括兩條數(shù)據(jù)傳送指令和一條返回指令。
此外，還有兩個數(shù)據(jù)傳送指令需要借助程序棧，程序棧本質(zhì)上是內(nèi)存中的一個區(qū)域。棧的增長方向是從高地址向低地址，因此，棧頂?shù)脑厥撬袟Ｖ性氐刂分凶畹偷?/strong>。根據(jù)慣例，棧是倒過來畫的，棧頂在圖的底部，棧底在頂部，rsp是棧頂寄存器。
例如現(xiàn)在我們需要保存寄存器rax內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)0x123，可以使用pushq指令把數(shù)據(jù)壓入棧內(nèi)。若要將數(shù)據(jù)彈出，則使用popq指令，這些指令只有一個操作數(shù)（壓入的數(shù)據(jù)源和彈出的數(shù)據(jù)目的）。
我們首先來看下一個入棧的操作過程：
- 首先指向棧頂?shù)募拇嫫鞯?code>rsp進(jìn)行一個減法操作，例如壓棧之前，棧頂指針
rsp指向棧頂?shù)奈恢?，此處的?nèi)存地址0x108；壓棧的第一步就是寄存器rsp的值減8，此時指向的內(nèi)存地址是0x100。
- 然后將需要保存的數(shù)據(jù)復(fù)制到新的棧頂?shù)刂?，此時，內(nèi)存地址
0x100處將保存寄存器rax內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)0x123。實際上pushq的指令等效于subq和movq這兩條指令。它們之間的區(qū)別是在于pushq這一條指令只需要一個字節(jié)，而subq和movq這兩條指令需要8個字節(jié)。所以執(zhí)行subq %rax意味著執(zhí)行了兩個操作，首先是將棧頂?shù)刂窚p8，然后再將rax寄存器存放的值存放至棧頂指針rsp指向的位置。
說到底，push指令的本質(zhì)還是將數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存中，那么與之對應(yīng)的pop指令就是從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并且修改棧頂指針。例如圖中這條popq指令就是將棧頂保存的數(shù)據(jù)復(fù)制到寄存器rbx中。
那么pop操作也可分解為兩部分：
- 首先從棧頂?shù)奈恢米x出數(shù)據(jù)，復(fù)制到寄存器
rbx（被調(diào)用者保存寄存器）。此時，棧頂指針rsp指向的內(nèi)存地址是0x100。
- 然后將棧頂指針加
8，pop后棧頂指針rsp指向的內(nèi)存地址是0x108。
因此pop操作也可以等效movq和addq這兩條指令。實際上pop指令是通過修改棧頂指針?biāo)赶虻膬?nèi)存地址來實現(xiàn)數(shù)據(jù)刪除的，此時，內(nèi)存地址0x100內(nèi)所保存的數(shù)據(jù)0x123仍然存在，直到下次push操作，此處保存的數(shù)值才會被覆蓋。
leaq指令
加載有效地址（load effective address）指令leaq實際上是movq指令的變形，它的指令形式是從內(nèi)存讀數(shù)據(jù)到寄存器當(dāng)中，但實際根本未引用內(nèi)存，它的第一個操作數(shù)看上去是內(nèi)存引用，但該指令并不是從指定位置讀入數(shù)據(jù)，而是將有效地址寫入到目的操作數(shù)。
以上為leaq指令將有效地址值寫入寄存器中的過程，即加載有效地址。leaq不僅可以加載有效地址，還可表示加法和有限乘法運算，對下述代碼進(jìn)行編譯：
通過gcc -O1 -S a.c，得到的匯編代碼指令如下：
scale:
leaq (%rdi,%rsi,4), %rax
leaq (%rdx,%rdx,2), %rdx
leaq (%rax,%rdx,4), %rax
ret
x存放在rdi寄存器中，y存放在rsi寄存器中，z存放在rdx寄存器中，那么第一條指令將rdi+4*rsi放入rax中，即表示x+4y；第二條指令表示將3z寫入rdx寄存器；第三條指令則是將rax存放的x+4y與4rdx相加結(jié)果寫入rax，此時rax存放的是x+4y+12z的結(jié)果，最終rax寄存器作為返回值返回即可。
leaq指令能執(zhí)行加法和有限的乘法，在編譯如上簡單的算術(shù)表達(dá)式時，是很有用處的。
一元和二元操作、移位操作、特殊算術(shù)操作
移位操作：
我們根據(jù)具體代碼舉例說明移位操作，示例如下：
我們分析一下這個代碼第3行，對應(yīng)的匯編指令：
上圖rdx的值為z，rax通過第一條指令，存放3z的值，然后第二條指令左移4位等同于乘以\(2^4 = 16\)，所以這兩條指令最終計算的是48z的值，存放至rax寄存器中。為什么編譯器不直接使用乘法指令來實現(xiàn)這個運算呢？主要是因為乘法指令的執(zhí)行需要更長的時間，因此編譯器在生成匯編指令時，會優(yōu)先考慮更高效的方式。
一元、二元操作、移位操作指令總結(jié)：
特殊算數(shù)操作指令：
條件碼
關(guān)于條件碼寄存器的各個字段，之前博客也有介紹過（Link），主要以8086寄存器為例說明。
條件碼寄存器其實也稱為標(biāo)志寄存器，其具有三種作用：
- 用來存儲相關(guān)指令的某些執(zhí)行結(jié)果；
- 用來為CPU執(zhí)行相關(guān)指令提供行為依據(jù)；
- 用來控制CPU的相關(guān)工作方式。
以下是8086相關(guān)標(biāo)志位：
條件碼寄存器（狀態(tài)寄存器）的值是由ALU在執(zhí)行算術(shù)和運算指令時寫入的，下圖中的這些算術(shù)和邏輯運算指令都會改變條件碼寄存器的內(nèi)容：
對于不同的指令也定義了相應(yīng)的規(guī)則來設(shè)置條件碼寄存器。例如：
- 邏輯操作指令
xor，進(jìn)位標(biāo)志(CF)和溢出標(biāo)志(OF)會置0； - 對于
inc加一指令和dec減一指令會設(shè)置溢出標(biāo)志(OF)和零標(biāo)志(ZF)，但不會改變進(jìn)位標(biāo)志(CF)。
關(guān)于條件碼使用，我們舉例看下如下代碼以及其匯編指令：
gcc -Og -S a.c得到匯編指令為：
comp:
cmpq %rsi, %rdi
sete %al
movzbl %al, %eax
ret
上面已經(jīng)介紹了cmp指令，cmp指令是根據(jù)兩個操作數(shù)的差來設(shè)置條件碼寄存器。cmp指令和減法指令sub類似，也是根據(jù)兩個操作是的差來設(shè)置條件碼，二者不同的是cmp指令只是設(shè)置條件碼寄存器，并不會更新目的寄存器的值。
在這個例子中，指令sete根據(jù)需標(biāo)志(ZF)的值對寄存器al進(jìn)行賦值，后綴e是equal的縮寫。如果零標(biāo)志等于1，指令sete將寄存器al置為1；如果零標(biāo)志等于0，指令sete將寄存器al置為0。
然后mov指令對寄存器al進(jìn)行零擴(kuò)展，最后返回判斷結(jié)果，存放至rax寄存器中。
下面看一個復(fù)雜例子，代碼如下：
轉(zhuǎn)成匯編指令后：
判斷a<b是否為真，需要首先判斷a-b的值，a-b<0設(shè)置SF=1，反之SF=0，然后判斷是否正溢出或負(fù)溢出，溢出置OF=1，反之OF=0；計算SF^OF，若結(jié)果為1，則a<b為true；反之a<b為false。所以，綜上可發(fā)現(xiàn)，根據(jù)符號標(biāo)志(SF)和溢出標(biāo)志(OF)的異或結(jié)果，可以對a小于b是否為真做出判斷。更多相關(guān)set指令如下：
跳轉(zhuǎn)指令
接下來看下跳轉(zhuǎn)指令相關(guān)代碼及匯編指令：
通過cmp指令首先設(shè)置x<y對應(yīng)的標(biāo)志寄存器的符號標(biāo)志(SF)和溢出標(biāo)志(OF)，然后跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行相應(yīng)的位運算來判斷其布爾值的真假，以此來判斷是否發(fā)生跳轉(zhuǎn)至.L2處，位運算計算方法如下圖：
只不過，相比于代碼中的x < y，匯編指令通過jge判斷x是否大于等于y，ge是greater >和equal =的縮寫。對于代碼中的if-else語句，當(dāng)滿足條件時，程序洽著一條執(zhí)行路徑執(zhí)行，當(dāng)不滿足條件時，就走另外一條路徑。這種機(jī)制比較簡單和通用，但是在現(xiàn)代處理器上，它的執(zhí)行效率可能會比較低。針對這種情況，有一種替代的策略，就是使用數(shù)據(jù)的條件轉(zhuǎn)移來代替控制的條件轉(zhuǎn)移。還是針對兩個數(shù)差的絕對值問題，給出了另外一種實現(xiàn)方式，我們既要計算y-x的值，也要計算x-y的值，分別用兩個變量來記錄結(jié)果，然后再判斷x與y的大小，根據(jù)測試情況來判斷是否更新返回值。這兩種寫法看上去差別不大，但第二種效率更高。具體如下所示：
上圖c前面這幾條指令都是普通的數(shù)據(jù)傳送和減法操作。cmovge是根據(jù)條件碼的某種組合來進(jìn)行有條件的傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)滿足規(guī)定的條件時，將寄存器rdx內(nèi)的數(shù)據(jù)復(fù)制到寄存器rax內(nèi)。在這個例子中，只有當(dāng)x大于等于y時，才會執(zhí)行這一條指令。
更多傳送指令如下所示：
為什么基于條件傳送的代碼會比基于跳轉(zhuǎn)指令的代碼效率高呢？這里涉及到現(xiàn)代處理器通過流水線來獲得高性能。當(dāng)遇到條件跳轉(zhuǎn)時，處理器會根據(jù)分支預(yù)測器來猜測每條跳轉(zhuǎn)指令是否執(zhí)行，當(dāng)發(fā)生錯誤預(yù)測時，會浪費大量的時間，導(dǎo)致程序性能嚴(yán)重下降。
循環(huán)
do-while
while
對比一下for與while的匯編代碼：
可以發(fā)現(xiàn)除了這一句跳轉(zhuǎn)指令不同，其他部分都是一致的。這兩個匯編代碼是采用-Og選項產(chǎn)生的。綜上所述，三種形式的循環(huán)語句都是通過條件測試和跳轉(zhuǎn)指令來實現(xiàn)。以上則是三種循環(huán)的示例說明。
swich語句
對于上面的代碼，匯編代碼如下：
cmpq指令設(shè)置狀態(tài)寄存器，ja指令判斷是否超過6，超過的話跳轉(zhuǎn)至default對應(yīng)的L8程序段，case0、case6可通過跳轉(zhuǎn)表訪問不同分支。代碼跳轉(zhuǎn)表聲明為一個長度為7的數(shù)組，每個元素都是一個指向代碼位置的指針，具體關(guān)系如下圖所示：
在這個例子中，程序使用跳轉(zhuǎn)表來處理多重分支，甚至當(dāng)switch有上百種情況時，雖然跳轉(zhuǎn)表的長度會增加，但是程序的執(zhí)行只需要一次跳轉(zhuǎn)也能處理復(fù)雜分支的情況，與使用一組很長的if-else相比，使用跳轉(zhuǎn)表的優(yōu)點是執(zhí)行switch語句的時間與case的數(shù)量是無關(guān)的。因此在處理多重分支的時，與一組很長的if-else相比，switch的執(zhí)行效率要高。
程序調(diào)用過程相關(guān)知識
為了方便討論，以C語言代碼函數(shù)調(diào)用為例，假設(shè)函數(shù)P調(diào)用函數(shù)Q，函數(shù)Q執(zhí)行完畢后返回函數(shù)P，這一系列操作包括圖中一個或多個機(jī)制：
C語言過程調(diào)用機(jī)制的關(guān)鍵特性在于使用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供FIFO內(nèi)存管理原則，在過程P調(diào)用過程Q的例子中，可以看到當(dāng)Q在執(zhí)行時，P以及所有在向上追溯到P的調(diào)用鏈中的過程都被暫時掛起。當(dāng)Q運行時，它只需要為局部變量分配新的存儲空間，或設(shè)置到另一個過程的調(diào)用。另一方面，當(dāng)Q返回時，任何它所分配的局部存儲空間都可被釋放。因此，程序可以用棧來管理它的過程所需要的存儲空間，棧和程序寄存器存放著傳遞控制和數(shù)據(jù)、分配內(nèi)存所需要的信息。當(dāng)P調(diào)用Q時，控制和數(shù)據(jù)信息添加到棧尾。當(dāng)P返回時，這些信息會被釋放掉。
函數(shù)P調(diào)用函數(shù)Q時，會把返回地址壓入棧中，該地址指明了當(dāng)函數(shù)Q執(zhí)行結(jié)束 返回時要從函數(shù)P的哪個位置繼續(xù)執(zhí)行。這個返回地址的壓棧操作并不是由指令push來執(zhí)行的，而是由函數(shù)調(diào)用call來實現(xiàn)的。具體以multstore代碼為例我們可以查看返回地址細(xì)節(jié)：
編譯并使用命令objdump進(jìn)行反匯編，查看其具體調(diào)用情況：
gcc -Og -o prog main.c multstore.c
objdump -d prog
查看部分反匯編代碼：
上圖可知中4005a9: e8 26 00 00 00 callq 4005d4 <multstore>這一行，指令call不僅要將函數(shù)multstore的第一條指令的地址寫入到程序指令寄存器rip中，以此實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用，同時還要將返回地址壓入棧中。
當(dāng)函數(shù)multstore調(diào)用完畢后，指令ret從棧中返回地址彈出，寫入程序指令寄存器rip中：
函數(shù)返回，繼續(xù)執(zhí)行上面反匯編代碼中main函數(shù)第7行相關(guān)的操作。以上整個過程就是函數(shù)調(diào)用與返回所涉及的操作。那么函數(shù)調(diào)用的參數(shù)傳遞是如何實現(xiàn)的呢？在一開始我們知道，函數(shù)傳遞參數(shù)分別通過6個寄存器可以實現(xiàn)，但是如果傳遞的參數(shù)大于6個呢？超出的參數(shù)就會通過壓棧來實現(xiàn)存儲。
以下面代碼為例，探討參數(shù)傳遞過程：
代碼中函數(shù)有8個參數(shù)，包括字節(jié)數(shù)不同的整數(shù)以及不同類型的指針，參數(shù)1到參數(shù)6是通過寄存器來傳遞，參數(shù)7和參數(shù)8是通過棧來傳遞。
這里補(bǔ)充說明：
通過棧來傳遞參數(shù)時，所有數(shù)據(jù)的大小都是向8的倍數(shù)對齊，雖然變量a4只占一個字節(jié)，但是仍然為其分配了8個字節(jié)的存儲空間。由于返回地址占用了棧頂?shù)奈恢?，所以這兩個參數(shù)距離棧頂指針的距離分別為8和16。
棧局部存儲：
當(dāng)代碼中對一個局部變量使用地址運算符時，我們需要在棧上為這個局部變量開辟 相應(yīng)的存儲空間，接下來我們看一個與地址運算符相關(guān)的例子。
函數(shù)caller定義了兩個局部變量arg1和arg2，函數(shù)swap的功能是交換這兩個變量的值，最后返回二者之和。我們通過分析函數(shù)caller的匯編代碼來看一下地址運算符的處理方式：
subq $16, %rsp第一條減法指令將棧頂指針減去16，它表示的含義是在棧上分配16個字節(jié)的空間。
我們再來看一個較為復(fù)雜的棧上存放局部變量的例子，代碼如下：
根據(jù)上面的C代碼，我們來畫一下這個函數(shù)的棧幀。根據(jù)變量的類型可知x1占8個字節(jié)，x2占4個字節(jié)，x3占兩個字節(jié)，x4占一個字節(jié)，因此，這四個變量在棧幀中的空間分配如圖所示。
由于上面call_proc代碼中第6行調(diào)用的函數(shù)proc需要8個參數(shù)，因此參數(shù)7和參數(shù)8需要通過棧幀來傳遞。注意，傳遞的參數(shù)需要8個字節(jié)對齊，而局部變量是不需要對齊的。
關(guān)于寄存器中的局部存儲空間，其實之前已經(jīng)提到過，在說明調(diào)用者保存寄存器和被調(diào)用者保存寄存器時已經(jīng)舉例，這里不再贅述。
遞歸程序調(diào)用過程
以斐波那契數(shù)列遞歸調(diào)用代碼為例：
數(shù)組、指針內(nèi)存訪問
數(shù)組在內(nèi)存中是一段連續(xù)的空間，至于其每個單元的地址間距，與其單個元素類型字長有關(guān)。指針在內(nèi)存中的加一跳轉(zhuǎn)與指針的類型有關(guān)，若指針是char類型，每次加一僅跳轉(zhuǎn)一個地址單元，若指針是int類型，則每次加一跳轉(zhuǎn)四個地址單元，如下圖：
二維數(shù)組的存放如下圖所示：
所以可以看到，數(shù)組行號不變，按行遍歷效率要高于列號不變按列去遍歷。
結(jié)構(gòu)體對齊的計算不再說明，總結(jié)就是，結(jié)構(gòu)體元素類型的排列順序會影響其最終的結(jié)果，結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊的設(shè)計也是為了提升尋址效率；相比于結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊，聯(lián)合體的設(shè)計更加巧妙，并且節(jié)約空間，聯(lián)合體中多個元素共享同一塊地址空間。關(guān)于內(nèi)存對齊的細(xì)節(jié)，可此參考文章：[Link]
避免棧緩沖區(qū)溢出攻擊的方法措施
緩沖區(qū)溢出攻擊的普遍發(fā)生給計算機(jī)系統(tǒng)造成了很多麻煩，現(xiàn)代編譯器和操作系統(tǒng)實現(xiàn)了很多機(jī)制來盡量避免這種攻擊，限制入侵者通過緩沖區(qū)溢出攻擊獲得系統(tǒng)控制的方式，這里有一種避免緩沖區(qū)溢出的方法：棧隨機(jī)化。以下是書中對棧隨機(jī)化的介紹，避免安全單一化，每次程序執(zhí)行前，在棧上提前分配若干字節(jié)空間，后續(xù)程序棧地址就會發(fā)生改變，以此來達(dá)到隨機(jī)化的目的，避免入侵者確定?？臻g具體位置。
第二種方法則是棧破壞檢測，若棧發(fā)生"下溢"，則可以在將函數(shù)的返回地址壓棧的時候，加上一個隨機(jī)產(chǎn)生的整數(shù)，如果出現(xiàn)了數(shù)組越界，那么這個整數(shù)將被修改，這樣在函數(shù)返回的時候，就可以通過檢測這個整數(shù)是否被修改，來判斷是否有"下溢"發(fā)生。這個隨機(jī)的整數(shù)被稱為"canary"，它的原意是金絲雀，這種鳥對危險氣體的敏感度超過人類，所以過去煤礦工人往往會帶著金絲雀下井，如果金絲雀死了，礦工便知道井下有危險氣體，需要撤離。
那怎么加上這個canary呢，只需要在gcc編譯的時候，加入"-fstack-protector"選項即可。一個函數(shù)對應(yīng)一個stack frame，每個stack frame都需要一個canary，這會消耗掉一部分的?？臻g。此外，由于每次函數(shù)返回時都需要檢測canary，代碼的整執(zhí)行時間也勢必會增加。
那么以上則是對csapp中程序機(jī)器級表示的相關(guān)總結(jié)。
浙公網(wǎng)安備 33010602011771號