从简单的算法初探过程汇编
2012-02-08 17:44 捣乱小子 阅读(3348) 评论(10) 编辑 收藏 举报不忽视汇编
较于我们日常接触的高级语言，诸如c语言，c++，java等等，汇编语言是更接近机器的语言，它的常用操作简单到把一个数值（立即数，寄存器数或者存储器数据）加载到寄存器，正是这样，所以让汇编完成一个程序任务，过程会比较晦涩；高级语言隐藏了很多的机器细节（比如过程（函数）栈帧的初始化，以及过程结束时栈帧的恢复），代码清晰易懂。
真佩服六七十年代那些大牛们，都是怎么过来的...膜拜膜拜。写一个100以内整数的和，即使有充分的汇编文档，这也足够折腾我一阵子，太恶心了。但是了解汇编的行为方式和其中的一些重要细节，有助于理解计算机软件和硬件的工作方式。我就一个简单的算法来认识一下汇编。
过程汇编前奏
过程可以理解为c中的函数，当调用者（caller）调用被调用者（be caller）的时候，系统会为被调用者在栈内分配空间，这个空间就称为栈帧。栈的结构大概如下：
程序栈是向低地址生长的栈，与数据结构当中的栈结构类似，有后进先出的性质，寄存器%esp（stack pointer）保存栈顶指针的地址，寄存器%ebp（** pointer）保存帧指针的地址。 程序执行的时候，栈指针可以移动，以便增大或者缩小程序栈的空间，而帧指针是固定的，因为大多数程序栈中存储的数据都是相对于帧指针的（帧指针+偏移量）。
当调用者调用另一个过程的时候：
- 首先，如果这个被调用过程如果有参数的话，调用的栈帧中会构造这些参数，并存入到调用者的栈帧中（所以上面的图参数n...参数1，就是这个原因了）；
- 将返回地址入栈。返回地址是当被调用过程执行完毕之后，调用者应该继续执行的指令地址；它属于调用者栈帧的部分，形成了调用者栈帧的末尾
- 到这一步就进入了被调用者的栈帧了，所谓当前栈帧。保存调用者的帧指针，以便在之后找回调用者的程序栈；
- 最后进入程序执行，一般过程会sub 0xNh %esp来分配当前程序栈的大小，用来存取临时变量啊，暂存寄存器的值啊等等。
- 如果被调用者又要调用另一个过程，回到第一步即可；
- 当过程结束之时，会将栈指针，帧指针恢复，经常会在反汇编中看到如下：
同时，返回地址会被恢复到PC。mov %esp,%ebp
pop %ebp - 这时回到了打调用者应该继续执行的地方。
上面的文字可以更概括，反汇编一个过程（函数）会有建立（初始化），主体（执行），结束（返回）。之前很容易把栈和堆搞混（不是数据结构里面），找到一个好文章与大家分享：栈和堆的区别。据说被转了无数次了，说明写的不错。 过程调用和返回在汇编语言中分别用call和ret（return）来实现。call和ret的做法不是很透明，
- call将返回地址入栈，并将PC跳转到被调用过程的起始地址；
- ret与call相反，从栈中弹出返回地址，并跳转PC。
具体看图：
关于汇编代码格式
汇编代码最为常见的是ATT和intel汇编代码格式，ATT应该较为古老，但却是GCC，OBJDUMP的默认格式。需要注意的是在带有多个操作数的指令的情况下，列出操作数顺序两者是相反的，所以在思路上很容易混淆。例如实现%esp→%eax，有如下区别。
mov eax,esp
#ATT
movl %esp,%eax
因为受到书本的影响，所以我习惯在寄存器前加上“%”，并且我更偏好ATT格式的汇编代码。
反汇编具体分析
（下面的程序栈图，我把参数入栈我在标明“参数i=？”，这可能会有点疑惑，如果“参数x=？”这样会更好，:)）
有一个简单程序，先不管它实现了什么功能，看下去，绝对会有收获的。给出的c代码是：
View Code
using namespace std;
int fun(unsigned int x)
{
if(x == 0)
return 0;
unsigned int nx = x>>1;
int rv = fun(nx);
return (x & 0x01)+rv;
}
int main()
{
unsigned int i = 12;
fun(i);
return 0;
}
在vs2008下debug查看汇编代码有如下反汇编代码，因为晦涩，所以摘抄了如下：
View Code
int fun(unsigned int x)
{
004113A0 push ebp
004113A1 mov ebp,esp
004113A3 sub esp,0D8h
004113A9 push ebx
004113AA push esi
004113AB push edi
004113AC lea edi,[ebp-0D8h]
004113B2 mov ecx,36h
004113B7 mov eax,0CCCCCCCCh
004113BC rep stos dword ptr es:[edi]
if(x == 0)
004113BE cmp dword ptr [x],0
004113C2 jne fun+28h (4113C8h)
return 0;
004113C4 xor eax,eax
004113C6 jmp fun+48h (4113E8h)
unsigned int nx = x>>1;
004113C8 mov eax,dword ptr [x]
004113CB shr eax,1
004113CD mov dword ptr [nx],eax
int rv = fun(nx);
004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
004113D3 push eax
004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp,4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
return (x & 0x01)+rv;
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax,1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
}
004113E8 pop edi
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
int main()
{
00411420 push ebp
00411421 mov ebp,esp
00411423 sub esp,0CCh
00411429 push ebx
0041142A push esi
0041142B push edi
0041142C lea edi,[ebp-0CCh]
00411432 mov ecx,33h
00411437 mov eax,0CCCCCCCCh
0041143C rep stos dword ptr es:[edi]
unsigned int i = 12;
0041143E mov dword ptr [i],0Ch
fun(i);
00411445 mov eax,dword ptr [i]
00411448 push eax
00411449 call fun (4110E6h)
0041144E add esp,4
return 0;
00411451 xor eax,eax
}
00411453 pop edi
00411454 pop esi
00411455 pop ebx
00411456 add esp,0CCh
0041145C cmp ebp,esp
0041145E call @ILT+315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
00411463 mov esp,ebp
00411465 pop ebp
00411466 ret
上面的代码，在第一句就间接道明了fun的地址。可以看到在call fun之前会有一段准备：
View Code
00411445 mov eax,dword ptr [i]
00411448 push eax
00411449 call fun (4110E6h)
0041144E add esp,4
00411445h的指令就将fun的参数（此时i=6，还记得上面的图吗，参数n-参数1）和返回地址入栈，然后PC跳至004110E6h，此时main的栈帧如下：
借助jmp跳至004113A0h，正式进入fun函数。fun内首先保存了帧指针和被调用者保存寄存器和其他相关数据，只有当参数x==0的时候才会终止函数的运行，故在递归调用（注意，是递归调用，而不是调用）fun之前（即call fun之前），有如下：
图
所以，一直递归下去的话：
直到x==0，此时会进入if的分支执行步骤。
View Code
004113BE cmp dword ptr [x],0
004113C2 jne fun+28h (4113C8h)
return 0;
004113C4 xor eax,eax
004113C6 jmp fun+48h (4113E8h)
在汇编中，会用到异或xor逻辑运算来对一个寄存器清零（004113C4h地址的指令），由于x==0，PC跳至004113E8h，执行返回。
View Code
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
在这里把被保存的寄存器值都弹出来，恢复栈归位，留意其中针对%esp和%ebp的操作；执行ret操作，返回，
程序继续执行：
View Code
#004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
#004113D3 push eax
#004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp,4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
rv = 0;
可以看到，处理器释放了栈上的内存（%esp+4，还记得吗，栈是向低地址增长的），因为在call之前，也就是00411448h地址处，调用者也就是main函数将%eax参数入栈，接着fun退出之后，参数的内存也就理所当然的要释放掉。联想一下，如果参数有很多个，那么call之前就会有多个push，对应的，call之后就会有“add %esp n”的操作将其释放。接着将%eax（在寄存器是用习惯当中，%eax经常被用作返回值寄存器）的值给了rv，如此一来rv就顺理成章地得到了fun的返回值。接下来：
View Code
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax,1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
%eax←(x&0x01)+rv = 0x01&0x01 + 0 = 1;（提示：从这里开始体会fun的功能）
简单的将x&0x01+rv后送入%eax（记得吗，%eax经常被用作返回值寄存器），此时可能会有疑问，x是从哪里来的，答案是x存在调用者的栈帧内，而非被调用者的栈帧，因为x是函数的一个参数，dword ptr [x]应该就是对读取了调用者栈帧中的x参数。该是恢复栈的时候了：
View Code
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
恢复栈帧，执行ret，如图：
fun又成功返回了，程序继续：
View Code
#004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
#004113D3 push eax
#004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp,4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
rv = %eax = 1;
又回到了刚才走过的地方，但是数据有异。接下来程序执行return退出：
View Code
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax,1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
%eax←(x&0x01)+rv = 0x3&0x01 + 1 = 2;又该是ret的时候了，恢复栈：
View Code
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
栈帧结构如图：
还差一次，返回之后程序继续执行：
View Code
#004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
#004113D3 push eax
#004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp,4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
rv = %eax = 2;
接下来程序return退出（不累赘了）：
View Code
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax,1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
004113E8 pop edi
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
至此，程序完全退出了fun的递归过程，回到了主函数main，main也有自己的栈帧，因为main也是一个函数。下图：
View Code
#00411445 mov eax,dword ptr [i]
#00411448 push eax
#00411449 call fun (4110E6h)
0041144E add esp,4
return 0;
00411451 xor eax,eax
0x0041144E处，add %esp,4，目的是释放一开始入栈的fun的参数，而主函数返回0（return 0），也是用到了异或逻辑运算xor来讲%eax清零。
到这里，相信有点明白了，在递归调用过程中，程序栈是如何变化的，并且上面的函数计算参数i中位的和。
收获
发现这样一个小小的递归程序，分析起它反汇编如有一种返璞归真的感觉，对理解“递归调用”会更为清晰的思路。纵观上面的分析，递归调用虽然是算法中解决问题常用的方法，但是它对付起庞大递归次数的程序来说（上面因为分析所以选取的递归次数较少），非常消耗内存。 所以在写程序的时候，在时间和空间的消耗抉择上，需要谨慎。通过学习汇编和反汇编代码的分析，将更了解机器的行为，从而写出更为高效的代码。
文章有点长，欢迎讨论。
捣乱小子 2012年2月8日星期三
