CSAPP Notes ML Programming
CSAPP Notes ML Programming
- I have abbreviation: Computer System - Notes: Machine Level Programming；
- status: 正在更新;
- other info:随手写的，不能保证准确性；
- powered by: ChatGPT 辅助；
本课程主要使用 x86 指令；CISC（复杂指令集）；
ARM 属于 RISC （精简指令集）；
g++ 和 gcc
g++ 和 gcc 都是 GNU Compiler Collection（GNU 编译器集合）中的工具，用于编译源代码并生成可执行文件。然而，它们之间有一些区别：
- g++：
g++是 GNU 编译器集合中专门用于编译 C++ 源代码的工具。- 当你使用
g++编译时，它会默认将源代码视为 C++ 代码，然后应用 C++ 相关的语法和标准库。 - 如果你使用
g++编译一个 C++ 源文件，它会自动链接 C++ 标准库。 - 例如：
g++ main.cpp -o main
- gcc：
gcc是 GNU 编译器集合中通用的编译器，可以用于编译多种编程语言，包括 C、C++、Objective-C 等。- 当你使用
gcc编译时，它会根据文件的扩展名来确定是 C 还是 C++ 代码。.c扩展名会被视为 C 代码，.cpp扩展名会被视为 C++ 代码。 - 对于 C++ 代码，
gcc会自动调用g++来处理。 - 如果你使用
gcc编译 C++ 源文件，同样会链接 C++ 标准库。 - 例如：
gcc main.cpp -o main
流程
预处理阶段（Preprocessing）：
- 输入：
.cpp、.h等源文件。 - 输出：
.i文件。 - 过程：在此阶段，预处理器执行宏展开、文件包含等操作，生成一个经过预处理的源代码文件。
- 编译阶段（Compilation）：
- 输入：
.i文件。 - 输出：
.s文件。 - 过程：编译器将经过预处理的源代码翻译成汇编语言代码。
- 输入：
- 汇编阶段（Assembly）：
- 输入：
.s文件。 - 输出：
.o文件。 - 过程：汇编器将汇编语言代码翻译成机器代码，并生成目标文件（
.o文件）。
- 输入：
- 链接阶段（Linking）：
- 输入：
.o文件、库文件等。 - 输出：可执行文件（通常无后缀名，或
.exe、.out等，取决于操作系统）。 - 过程：链接器将目标文件以及可能的库文件链接在一起，解决符号引用，生成最终的可执行文件。
- 输入：
常用参数
-
编译参数：
g++ source.cpp：编译source.cpp文件并生成默认输出文件a.out。g++ source.cpp -o output：编译source.cpp文件并将可执行文件命名为output。
-
指定编译阶段：
-c：只进行编译，不进行链接，生成目标文件（.o文件）。- 预处理->编译->汇编
-S：只进行预处理和编译，不进行汇编和链接，生成汇编代码文件（.s文件）。- 预处理->编译
-E：只进行预处理，不进行编译等等，生成的仍然是.cpp文件；
-
预处理选项：
-E：只进行预处理，将预处理结果输出到标准输出。
-
优化选项：
-
-O0、-O1、-O2、-O3：指定不同级别的优化。-O0表示不进行优化，-O3表示最高级别优化。 -
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html
优化级别：
- -O0: 这是最低级别的优化，代码将不会进行任何优化处理。这对于调试和分析非常有用，因为生成的代码将与源代码相匹配，但可能会导致较低的性能。
- -O1: 这个级别启用了一些基本的优化，如去除冗余的计算和一些常见的性能改进。代码的执行速度可能会稍有提升，但仍然保持着较好的调试友好性。
- -O2: 在这个级别，编译器会执行更多的优化，包括内联函数、循环展开等。这会带来显著的性能提升，但有些情况下可能会导致一些调试信息的丢失。
- -O3: 这是更高级别的优化，编译器会进行更多的变换，以提高代码的执行速度。然而，这可能会导致一些副作用，如增加代码大小和编译时间。
- -Os: 该选项会优化代码的大小，即尽量减小生成的可执行文件的大小，而不是追求最大的性能提升。
- -Og: 此选项用于 "优化用于调试"，会在保留调试信息的前提下，进行一些基本的优化，以平衡调试友好性和性能。
- -Ofast: 这是一个极高级别的优化选项，会启用所有的优化，并可能会违反一些标准的语义，以实现更高的性能。但这可能会导致一些不符合预期的行为。
-
-
链接选项：
-l<library>：链接指定的库。例如，-lm链接数学库。-L<dir>：指定搜索库文件的目录。
-
头文件包含路径：
-I<dir>：指定头文件的搜索路径。
-
其他常用选项：
-std=<standard>：指定使用的 C++ 标准，例如-std=c++11。-Wall：开启所有警告信息。-g：生成调试信息，用于调试程序。-Werror：将警告视为错误。-pedantic：严格遵循标准规范，发出更多警告。
例
程序清单
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
cout << "Hello world!" << endl;
int x = 1;
int y = 2;
int z = 3;
return 0;
}
-
-c：只进行编译，不进行链接，生成目标文件（.o文件）。-
预处理->编译->汇编
-
g++ test.cpp -Og -c -
可以用
objdump或者nm等工具查看目标文件-
objdump -d test.o # 查看目标文件的汇编代码 nm test.o # 列出目标文件中的符号表信息
-
-
-
-S：只进行预处理和编译，不进行汇编和链接，生成汇编代码文件（.s文件）。- 预处理->编译
g++ test.cpp -Og -S(生成一个 600 行左右的汇编代码)
-
-E：只进行预处理，不进行编译等等，生成的仍然是.cpp文件；- 预处理
g++ test.cpp -Og -E -o test.pre(会变成一个六万行左右的cpp代码)- 预处理会进行一些操作，比如：
- 宏展开
- 头文件包含
- 条件编译
- 删除注释
- 生成行号信息
- 大体上可以理解为 copy and paste
Assembly
Disassembling Object Code: Disassembler
objdump -d ___
例
ARM
机器信息：
> g++ --version
Apple clang version 14.0.3 (clang-1403.0.22.14.1)
Target: arm64-apple-darwin22.6.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin
源程序：
#include <iostream>
using namespace std;
int my_sum(int x, int y) {
return x + y;
}
int main() {
my_sum(1, 2);
return 0;
}
到汇编就停下：
g++ test.cpp -Og -S
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
.build_version macos, 13, 0 sdk_version 13, 3
.globl __Z6my_sumii ; -- Begin function _Z6my_sumii
.p2align 2
__Z6my_sumii: ; @_Z6my_sumii
.cfi_startproc
; %bb.0:
add w0, w1, w0
ret
.cfi_endproc
; -- End function
.globl _main ; -- Begin function main
.p2align 2
_main: ; @main
.cfi_startproc
; %bb.0:
mov w0, #0
ret
.cfi_endproc
; -- End function
.subsections_via_symbols
先生成可执行文件，再反汇编
g++ test.cpp -Og -o test.o
objdump -d test.o >> test.txt
test.o: file format mach-o arm64
Disassembly of section __TEXT,__text:
0000000100003fa8 <__Z6my_sumii>:
100003fa8: 20 00 00 0b add w0, w1, w0
100003fac: c0 03 5f d6 ret
0000000100003fb0 <_main>:
100003fb0: 00 00 80 52 mov w0, #0
100003fb4: c0 03 5f d6 ret
可以看到生成的汇编代码会短一点，因为丢失了一些信息；
等下，这个课程用的是 x86 的汇编（）
换个机器先——
X86
机器信息：
> g++ --version
g++ (GCC) 8.3.1 20190311 (Red Hat 8.3.1-3)
Copyright (C) 2018 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
源程序：
#include <iostream>
using namespace std;
int my_sum(int x, int y) {
return x + y;
}
int main() {
my_sum(1, 2);
return 0;
}
g++ test.cpp -Og -S
.file "test.cpp"
.text
.type _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB977:
.cfi_startproc
cmpl $1, %edi
jne .L5
cmpl $65535, %esi
jne .L5
subq $8, %rsp
.cfi_def_cfa_offset 16
movl $_ZStL8__ioinit, %edi
call _ZNSt8ios_base4InitC1Ev
movl $__dso_handle, %edx
movl $_ZStL8__ioinit, %esi
movl $_ZNSt8ios_base4InitD1Ev, %edi
call __cxa_atexit
addq $8, %rsp
.cfi_def_cfa_offset 8
.L5:
ret
.cfi_endproc
.LFE977:
.size _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
.globl _Z6my_sumii
.type _Z6my_sumii, @function
_Z6my_sumii:
.LFB975:
.cfi_startproc
leal (%rdi,%rsi), %eax
ret
.cfi_endproc
.LFE975:
.size _Z6my_sumii, .-_Z6my_sumii
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB976:
.cfi_startproc
movl $0, %eax
ret
.cfi_endproc
.LFE976:
.size main, .-main
.type _GLOBAL__sub_I__Z6my_sumii, @function
_GLOBAL__sub_I__Z6my_sumii:
.LFB978:
.cfi_startproc
subq $8, %rsp
.cfi_def_cfa_offset 16
movl $65535, %esi
movl $1, %edi
call _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
addq $8, %rsp
.cfi_def_cfa_offset 8
ret
.cfi_endproc
.LFE978:
.size _GLOBAL__sub_I__Z6my_sumii, .-_GLOBAL__sub_I__Z6my_sumii
.section .init_array,"aw"
.align 8
.quad _GLOBAL__sub_I__Z6my_sumii
.local _ZStL8__ioinit
.comm _ZStL8__ioinit,1,1
.hidden __dso_handle
.ident "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-44)"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
g++ test.cpp -Og -o test.o
objdump -d test.o >> test.txt
test.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .init:
00000000004004d8 <_init>:
4004d8: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
4004dc: 48 8b 05 15 0b 20 00 mov 0x200b15(%rip),%rax # 600ff8 <__gmon_start__>
4004e3: 48 85 c0 test %rax,%rax
4004e6: 74 05 je 4004ed <_init+0x15>
4004e8: e8 23 00 00 00 callq 400510 <__gmon_start__@plt>
4004ed: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
4004f1: c3 retq
Disassembly of section .plt:
0000000000400500 <.plt>:
400500: ff 35 02 0b 20 00 pushq 0x200b02(%rip) # 601008 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8>
400506: ff 25 04 0b 20 00 jmpq *0x200b04(%rip) # 601010 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10>
40050c: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
0000000000400510 <__gmon_start__@plt>:
400510: ff 25 02 0b 20 00 jmpq *0x200b02(%rip) # 601018 <__gmon_start__>
400516: 68 00 00 00 00 pushq $0x0
40051b: e9 e0 ff ff ff jmpq 400500 <.plt>
0000000000400520 <_ZNSt8ios_base4InitC1Ev@plt>:
400520: ff 25 fa 0a 20 00 jmpq *0x200afa(%rip) # 601020 <_ZNSt8ios_base4InitC1Ev@GLIBCXX_3.4>
400526: 68 01 00 00 00 pushq $0x1
40052b: e9 d0 ff ff ff jmpq 400500 <.plt>
0000000000400530 <__libc_start_main@plt>:
400530: ff 25 f2 0a 20 00 jmpq *0x200af2(%rip) # 601028 <__libc_start_main@GLIBC_2.2.5>
400536: 68 02 00 00 00 pushq $0x2
40053b: e9 c0 ff ff ff jmpq 400500 <.plt>
0000000000400540 <__cxa_atexit@plt>:
400540: ff 25 ea 0a 20 00 jmpq *0x200aea(%rip) # 601030 <__cxa_atexit@GLIBC_2.2.5>
400546: 68 03 00 00 00 pushq $0x3
40054b: e9 b0 ff ff ff jmpq 400500 <.plt>
0000000000400550 <_ZNSt8ios_base4InitD1Ev@plt>:
400550: ff 25 e2 0a 20 00 jmpq *0x200ae2(%rip) # 601038 <_ZNSt8ios_base4InitD1Ev@GLIBCXX_3.4>
400556: 68 04 00 00 00 pushq $0x4
40055b: e9 a0 ff ff ff jmpq 400500 <.plt>
Disassembly of section .text:
0000000000400560 <_start>:
400560: 31 ed xor %ebp,%ebp
400562: 49 89 d1 mov %rdx,%r9
400565: 5e pop %rsi
400566: 48 89 e2 mov %rsp,%rdx
400569: 48 83 e4 f0 and $0xfffffffffffffff0,%rsp
40056d: 50 push %rax
40056e: 54 push %rsp
40056f: 49 c7 c0 20 07 40 00 mov $0x400720,%r8
400576: 48 c7 c1 b0 06 40 00 mov $0x4006b0,%rcx
40057d: 48 c7 c7 85 06 40 00 mov $0x400685,%rdi
400584: e8 a7 ff ff ff callq 400530 <__libc_start_main@plt>
400589: f4 hlt
40058a: 66 0f 1f 44 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
0000000000400590 <deregister_tm_clones>:
400590: b8 4f 10 60 00 mov $0x60104f,%eax
400595: 55 push %rbp
400596: 48 2d 48 10 60 00 sub $0x601048,%rax
40059c: 48 83 f8 0e cmp $0xe,%rax
4005a0: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4005a3: 77 02 ja 4005a7 <deregister_tm_clones+0x17>
4005a5: 5d pop %rbp
4005a6: c3 retq
4005a7: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
4005ac: 48 85 c0 test %rax,%rax
4005af: 74 f4 je 4005a5 <deregister_tm_clones+0x15>
4005b1: 5d pop %rbp
4005b2: bf 48 10 60 00 mov $0x601048,%edi
4005b7: ff e0 jmpq *%rax
4005b9: 0f 1f 80 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax)
00000000004005c0 <register_tm_clones>:
4005c0: b8 48 10 60 00 mov $0x601048,%eax
4005c5: 55 push %rbp
4005c6: 48 2d 48 10 60 00 sub $0x601048,%rax
4005cc: 48 c1 f8 03 sar $0x3,%rax
4005d0: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4005d3: 48 89 c2 mov %rax,%rdx
4005d6: 48 c1 ea 3f shr $0x3f,%rdx
4005da: 48 01 d0 add %rdx,%rax
4005dd: 48 d1 f8 sar %rax
4005e0: 75 02 jne 4005e4 <register_tm_clones+0x24>
4005e2: 5d pop %rbp
4005e3: c3 retq
4005e4: ba 00 00 00 00 mov $0x0,%edx
4005e9: 48 85 d2 test %rdx,%rdx
4005ec: 74 f4 je 4005e2 <register_tm_clones+0x22>
4005ee: 5d pop %rbp
4005ef: 48 89 c6 mov %rax,%rsi
4005f2: bf 48 10 60 00 mov $0x601048,%edi
4005f7: ff e2 jmpq *%rdx
4005f9: 0f 1f 80 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax)
0000000000400600 <__do_global_dtors_aux>:
400600: 80 3d 3d 0a 20 00 00 cmpb $0x0,0x200a3d(%rip) # 601044 <_edata>
400607: 75 11 jne 40061a <__do_global_dtors_aux+0x1a>
400609: 55 push %rbp
40060a: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
40060d: e8 7e ff ff ff callq 400590 <deregister_tm_clones>
400612: 5d pop %rbp
400613: c6 05 2a 0a 20 00 01 movb $0x1,0x200a2a(%rip) # 601044 <_edata>
40061a: f3 c3 repz retq
40061c: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
0000000000400620 <frame_dummy>:
400620: 48 83 3d c8 07 20 00 cmpq $0x0,0x2007c8(%rip) # 600df0 <__JCR_END__>
400627: 00
400628: 74 1e je 400648 <frame_dummy+0x28>
40062a: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
40062f: 48 85 c0 test %rax,%rax
400632: 74 14 je 400648 <frame_dummy+0x28>
400634: 55 push %rbp
400635: bf f0 0d 60 00 mov $0x600df0,%edi
40063a: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
40063d: ff d0 callq *%rax
40063f: 5d pop %rbp
400640: e9 7b ff ff ff jmpq 4005c0 <register_tm_clones>
400645: 0f 1f 00 nopl (%rax)
400648: e9 73 ff ff ff jmpq 4005c0 <register_tm_clones>
000000000040064d <_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii>:
40064d: 83 ff 01 cmp $0x1,%edi
400650: 75 2e jne 400680 <_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii+0x33>
400652: 81 fe ff ff 00 00 cmp $0xffff,%esi
400658: 75 26 jne 400680 <_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii+0x33>
40065a: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
40065e: bf 45 10 60 00 mov $0x601045,%edi
400663: e8 b8 fe ff ff callq 400520 <_ZNSt8ios_base4InitC1Ev@plt>
400668: ba 38 07 40 00 mov $0x400738,%edx
40066d: be 45 10 60 00 mov $0x601045,%esi
400672: bf 50 05 40 00 mov $0x400550,%edi
400677: e8 c4 fe ff ff callq 400540 <__cxa_atexit@plt>
40067c: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
400680: c3 retq
0000000000400681 <_Z6my_sumii>:
400681: 8d 04 37 lea (%rdi,%rsi,1),%eax
400684: c3 retq
0000000000400685 <main>:
400685: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
40068a: c3 retq
000000000040068b <_GLOBAL__sub_I__Z6my_sumii>:
40068b: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
40068f: be ff ff 00 00 mov $0xffff,%esi
400694: bf 01 00 00 00 mov $0x1,%edi
400699: e8 af ff ff ff callq 40064d <_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii>
40069e: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
4006a2: c3 retq
4006a3: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
4006aa: 00 00 00
4006ad: 0f 1f 00 nopl (%rax)
00000000004006b0 <__libc_csu_init>:
4006b0: 41 57 push %r15
4006b2: 41 89 ff mov %edi,%r15d
4006b5: 41 56 push %r14
4006b7: 49 89 f6 mov %rsi,%r14
4006ba: 41 55 push %r13
4006bc: 49 89 d5 mov %rdx,%r13
4006bf: 41 54 push %r12
4006c1: 4c 8d 25 10 07 20 00 lea 0x200710(%rip),%r12 # 600dd8 <__frame_dummy_init_array_entry>
4006c8: 55 push %rbp
4006c9: 48 8d 2d 18 07 20 00 lea 0x200718(%rip),%rbp # 600de8 <__init_array_end>
4006d0: 53 push %rbx
4006d1: 4c 29 e5 sub %r12,%rbp
4006d4: 31 db xor %ebx,%ebx
4006d6: 48 c1 fd 03 sar $0x3,%rbp
4006da: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
4006de: e8 f5 fd ff ff callq 4004d8 <_init>
4006e3: 48 85 ed test %rbp,%rbp
4006e6: 74 1e je 400706 <__libc_csu_init+0x56>
4006e8: 0f 1f 84 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
4006ef: 00
4006f0: 4c 89 ea mov %r13,%rdx
4006f3: 4c 89 f6 mov %r14,%rsi
4006f6: 44 89 ff mov %r15d,%edi
4006f9: 41 ff 14 dc callq *(%r12,%rbx,8)
4006fd: 48 83 c3 01 add $0x1,%rbx
400701: 48 39 eb cmp %rbp,%rbx
400704: 75 ea jne 4006f0 <__libc_csu_init+0x40>
400706: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
40070a: 5b pop %rbx
40070b: 5d pop %rbp
40070c: 41 5c pop %r12
40070e: 41 5d pop %r13
400710: 41 5e pop %r14
400712: 41 5f pop %r15
400714: c3 retq
400715: 90 nop
400716: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
40071d: 00 00 00
0000000000400720 <__libc_csu_fini>:
400720: f3 c3 repz retq
Disassembly of section .fini:
0000000000400724 <_fini>:
400724: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
400728: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
40072c: c3 retq
书上的例子
·
使用gdb 调试
(gdb) disassemble my_sum
Dump of assembler code for function _Z6my_sumii:
0x0000000000400681 <+0>: lea (%rdi,%rsi,1),%eax
0x0000000000400684 <+3>: retq
End of assembler dump.
x86-64 寄存器
通用目的寄存器（General-Purpose Registers）：
rax：累加器寄存器，用于存放函数返回值。rbx：基址寄存器，一般作为数据指针使用。rcx：计数寄存器，常用于循环计数和函数参数传递。rdx：数据寄存器，用于存放函数返回值。rsi：源索引寄存器，通常用于数据传输操作。rdi：目的索引寄存器，通常用于数据传输操作。rsp：栈指针寄存器，指向当前栈顶。rbp：基址指针寄存器，用于指向当前栈帧的基址。r8到r15：通用寄存器，用于一般用途。
段寄存器（Segment Registers）：
cs：代码段寄存器，存储当前代码段的选择子。ds、es、fs、gs：数据段寄存器，用于存储数据段的选择子。ss：堆栈段寄存器，存储堆栈段的选择子。
指令指针寄存器（Instruction Pointer Register）：
rip：指令指针寄存器，存储下一条要执行的指令的地址。
标志寄存器（Flags Register）：
rflags：标志寄存器，包含各种处理器状态标志，如条件码、进位标志等。
32 位寄存器：
rax->eax
rbx->ebx...
r8->r8d...
也有 16 位的，也有 8 位的；
这些位置可以存值，也可以去除；
本文来自博客园，作者：K1øN，转载请注明原文链接：https://www.cnblogs.com/kion/p/17652536.html
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