CSAPP（三）——运算命令 程序的机器级表示
x86-64中的一些处理器状态
- 程序计数器：下一条将要执行的指令在内存中的地址
- 整数寄存器文件：有16个命名的位置，每个都能存储64位的值，可以存储地址或整数数据，它们根据命名的不同，经常被用于处理不同的数据。
- 条件码寄存器：保存最近执行的算数或逻辑指令的状态信息，可以用来实现条件或分支控制结构。
- 一组向量寄存器：可以存放一个或多个整数或浮点数值。
一个简单的汇编例子
// filename: mstore.c
long mult2(long, long);
void multstore(long x, long y, long *dest) {
long t = mult2(x, y);
*dest = t;
}
这是一个简单的c语言程序，我们使用gcc -S通知gcc仅将它编译成文本形式的汇编代码（而不做后面的汇编和链接步骤），下图是一个c程序编译过程的简单示例，gcc -S编译后的.s文件处于下图中的第三个步骤。
gcc -Og -S mstore.c
下面是.s文件中的内容，以.xxx开头的行相当于是编译过程对后面汇编和链接过程的一些指导，你可以理解为它们只是注解。
如果你使用-c指令，就会生成.o文件。
gcc -Og -c mstore.c
.o文件已经是将文本形式的汇编代码转换成二进制的目标代码了，我们可以使用objdump工具来查看它。
objdump -d mstore.o
不同版本的gcc编译后的代码可能不尽相同，如果你在非x86_64指令集下编译可能得到相差更远的内容。而且目前我们也不太认识这些汇编代码，目前我们只需要知道如何生成
.s和.o文件以及它们在整个编译过程中扮演的角色即可。
目前，整个编译过程还差一个链接步骤来生成可执行文件，链接器需要我们的目标代码文件（.o）中包含main函数，创建main.c
// filename: main.c
#include <stdio.h>
void multstore(long, long, long *);
int
main()
{
long d;
multstore(2, 3, &d);
printf("2 * 3 --> %ld\n", d);
return 0;
}
long mult2(long a, long b) {
long s = a * b;
return s;
}
编译：
gcc -Og -o prog main.c mstore.c
编译后的文件疯狂变大，因为其中包含了两个文件以及依赖的库函数printf的链接，并且还有一些用于启动和中止程序的代码，以及与操作系统进行交互的代码。
使用objdump查看生成的可执行文件prog
objdump -d prog
该文件中多了好多和我们编写的代码无关的内容，并且可执行程序中，每行代码的地址已经被填入了，并且callq中的参数也有了一个要调用的程序的地址，也就是说编译后的可执行程序的内存布局已经确定。
数据格式
Intel由于历史原因，使用字（word） 代表16位数据，使用 双字（double words） 代表32位数据，64位则是 四字（quad words）。
下面是一张表，代表了一些C中的声明映射到Intel上的数据类型，以及所使用的汇编代码后缀。所以，上面的指令集中总有什么callq、retq这种指令，这代表你使用这些指令时使用的是四字操作指令。
访问信息
下图是16个通用寄存器以及它们的常见作用。
这些通用寄存器虽然可以保存64位数据，但是也可以使用它们的低位来单独保存32位、16位和8位的数据。%r寄存器名用来访问整个64位寄存器数据，%e寄存器名用来访问32个低位中保存的数据，%寄存器名用来访问低16位数据，还有一些可以访问寄存器中单个字节的名称。
操作数指示符
操作数经常会有一个或多个参数，这些参数可能是
- 立即数（Immediate）：一个常数值，在ATT格式的汇编代码中，
$前缀用来表示立即数，如$-577、$0x1F。 - 寄存器：表示取某个寄存器中的内容，下图中用\(r_a\)表示任意一个寄存器，\(R[r_a]\)表示该寄存器中的值。
- 内存引用：下面使用符号\(M_b[Addr]\)表示存储在内存中从地址\(Addr\)开始的\(b\)个字节的值，有时会省去下标\(b\)。
下面使用的内存引用的形式\(Imm(r_b, r_i, s)\)表示一个立即数偏移量\(Imm\)加上一个基址寄存器\(r_b\)，加上一个变址寄存器\(r_i\)和一个比例因子\(s\)，s必须是1，2，4或8。有效地址会被计算为\(Imm+R[r_b]+R[r_i] * s\)。
说起来可能很难懂，看下面的表格就懂了。
练习题3.1
假设下面的值存放在指明的内存地址和寄存器中：
填写下表，给出操作数的值：
| 操作数 | 值 |
|---|---|
%rax |
0x100 |
0x104 |
0xAB |
$0x108 |
0x108 |
(%rax) |
0xFF |
4(%rax) |
0xAB |
9(%rax, %rdx) |
0x11 |
260(%rcx, %rdx) |
0x13（260转换成16进制是104） |
0xFC(, %rcx, 4) |
0xFF |
(%rax, %rdx, 4) |
0x11 |
数据传送指令
将数据从一个位置复制到另一个位置的指令。
MOV类
mov类命令具有两个操作数，第一个是源位置，第二个是目的位置，mov要把原位置的数据复制到目的位置。下面是一些mov类命令，它们的区别就是传送的数据大小不同。
- 源位置可以是立即值、存储在寄存器位置或内存位置，目的位置则可以是寄存器或内存位置。
- 如果使用寄存器，命令的后缀必须和寄存器的大小相匹配。
- 除了movl外，这些指令都只操作64位寄存器中它们需要的部分
- x86-64中新增了一条限制，原位置和目标位置不能都是内存地址，如果需要在内存地址间进行复制，考虑使用一个寄存器做中间变量，并使用两条指令来完成。
MOVZ类
MOV类只会对寄存器中它们所需要的位进行操作，MOVZ则不同，如果你使用MOVZ向寄存器中复制数据并且这个数据没有占满64位，剩余的部分将被设置成0，这个操作叫零扩展。
MOVS类
和MOVZ类似，MOVZ比较适用于操作无符号数，如果你操作基于补码的有符号数，MOVS可能更加好用。它会将源操作数中的最高位进行复制，以填满寄存器中剩余的高位（相当于保持符号）。
没有movzlq的原因是movl操作和movzlq的操作一样
练习题3.2
- movl —— 一次寄存器中双字到内存的复制
- movw —— 一次内存中到寄存器的单字复制
- movb —— 一次立即值到寄存器的单字节复制
- movb —— 一次内存值到寄存器的单字节复制
- movq —— 一次内存值到寄存器的四字复制
- movw —— 一次寄存器到内存的单字复制
练习题3.3
- 地址需要64位，所以不能从%ebx中取，它只有32位
- movl只能处理四字节，也就是两个字，%rax则是八个字节，也就是四个字
- 两个操作数都是内存引用
- 没有%sl寄存器
- 目的位置不能是立即值
- movl不能处理八字节四个字的%rdx
- %si长度是两个字节，与movb不符
注意，这里的所有答案都是基于x86-64的
数据传送示例
上面的代码会被编译成下面的汇编代码，其中xp被存在%rdi中，y在%rsi中。
所以指针可能会编译成保存在寄存器中的一个内存地址，函数中的局部变量一般也会存在寄存器中。
*xp这种对指针进行取值操作的c代码和(%rdi)这种根据寄存器中的内存地址取内存值的操作相关。
习题3.4
| src_t | dest_t | 指令 |
|---|---|---|
| long | long | movq (%rdi), %rax movq %rax, (%rsi) |
| char | int | movsbl (%rdi), %eax movl %eax, (%rsi) |
| char | unsigned | movsbl (%rdi), %eax movl %eax, (%rsi) |
| unsigned char | long | movzbl (%rdi), %eax movq %eax, (%rsi) |
| int | char | movl (%rdi), %eax movb %al, (%rsi) |
| unsigned | unsigned char | movl (%rdi), %eax movb %al, (%rsi) |
| char | short | movsbw (%rdi), %ax movw %ax, %(rsi) |
可能的疑问：
- 当一个小的有符号数据类型转向大的时，需要使用
movs保留符号位 - 当一个小的无符号数据类型转向大的时，需要使用
movz进行零扩展 - 当大的数据类型转向小的时，不需要考虑什么符号位，直接截断。
习题3.5
压入和弹出栈数据
如下图，栈是这样一种数据，push操作会将数据压入到栈顶，pop操作会将栈顶的数据从栈中弹出，栈顶向下增长，所以栈顶的地址是越来越小的。
下面是pushq指令的效果，%rsp是栈指针，它记录的是当前栈顶的内存地址。4字即8字节，它会将栈指针寄存器中的值减8，表示栈向下延伸了8字节，并将数据塞入到这8字节中。popq差不多不说了。
算数和逻辑操作
leaq —— 加载有效地址
leaq 地址, 目的：用于将第一个地址写入到目的。
比如leaq 7(%rdx, %rdx, 4), %rax，将运算前面的地址并写入到%rax中。该指令还可以用来简洁的描述一些算数操作，比如上面的那个指令，若%rdx的值为4，它可以代表7 + 5x这个算数表达式。
下面的一个例子中，x被存在%rdi，y被存在%rsi，z被存在%rdx
习题3.6
第一个应该是leaq 6(%rax), %rdx
| 表达式 | 结果 |
|---|---|
| leaq 6(%rax), %rdx | 6 + x |
| leaq (%rax, %rcx), %rdx | x + y |
| leaq (%rax, %rcx, 4), %rdx | x + 4 * y |
| leaq 7(%rax, %rax, 8), %rdx | 7 + 9 * x |
| leaq 0xA(, %rcx, 4), %rdx | 10 + 4 * y |
| leaq 9(%rax, %rcx, 2), %rdx | 9 + x + 2 * y |
习题3.7
/**
* Let x in %rdi, y in %rsi, z in %rdx
*
* scale2:
* leaq (%rdi, %rdi, 4), %rax
* leaq (%rax, %rsi, 2), %rax
* leaq (%rax, %rdx, 8), %rax
* ret
*
*/
long scale2(long x, long y, long z) {
long result = ____________________;
return result;
}
long result = 5 * x + 2 * y + 8 * z;
一元和二元操作
一元操作只有一个操作数，既是源又是目的，比如incr (%rsp)将栈顶的8字节元素自增1。
二元操作有两个操作数，第二个操作数既是源又是目的，比如subq %rax, %rdx使寄存器%rdx减去寄存器%rax中的值。第一个操作数可以是立即数，寄存器或内存位置，第二个不能是立即数。当第二个操作数是内存地址时，处理器必须从内存读出值，运算并写回到内存。
| 指令 | 目的 | 值 |
|---|---|---|
| addq %rcx, (%rax) | 0x100 | 0x100 |
| subq %rdx, 8(%rax) | 0x108 | 0xA8 |
| imulq $16, (%rax, %rdx, 8) | 0x118 | 0x110 |
| incq 16(%rax) | 0x110 | 0x14 |
| decq %rcx | 0x1 | 0x0 |
| subq %rdx, %rax | %rax | 0xFD |
感谢计算器
移位操作
移位操作的第一个操作数是移位量，可以是立即数或单字节寄存器%cl，第二项是要移位的数。
因为移位量被限定在一个字节，所以最大移位量是255。在x86-64中，如果你对w位长的数据值进行移位，那么移位量是由%cl寄存器的低m位决定的，\(2^m=w\)，意思就是说，如果你对一个一字节大小的数据进行移位，那么2^3=8，只有%cl%的低三位会被读取。
如%cl=0xFF，那么salb会移动7位（低三位最大是7）salw会移动15位，sall会移动31位，salq移动63位。
SAL和SHL左移，将右面填0，SAR和SHR右移，但SAR会填上符号位，SHR只填0.
练习题3.9
salq $4, %rax
sarq %cl, %rax
示例
下图是一个充满算数和逻辑运算的c代码，以及它被编译后的汇编代码。比较有趣的是z * 48的操作被分解成了一个z * 3和一个z * 16，而这个z * 16使用了左移四位来完成。
习题3.10
/**
*
* Let x in %rdi, y in %rsi, z in %rdx
* arith2:
* orq %rsi, %rdi
* sarq $3, %rdi
* notq %rdi
* movq %rdx, %rax
* subq %rdi, %rax
* ret
*
*/
long arith2(long x, long y, long z) {
long t1 = ______;
long t2 = ______;
long t3 = ______;
long t4 = ______;
return t4;
}
long arith2(long x, long y, long z) {
long t1 = x | y;
long t2 = t1 >> 3;
long t3 = ~t2;
long t4 = z - t3;
return t4;
}
练习题3.11
A. 异或的源操作数和目的操作数相同，它们取出的值本无异，所以会将%rdx设为0。
B. movq $0, %rdx
C. 不会
C. 汇编和反汇编这段代码，我们发现使用 xorq 的版本只需要 3 个字节，而使用 movq 的版本需要 7 个字节。其他将 %rdx 设置为 0 的方法都依赖于这样一个属性，即任何更新低位 4 字节的指令都会把高位字节设置为 0 。因此，我们可以使用 xorl %edx, %edx（2 字节）或 movl $0, %edx（5 字节）。
特殊算数操作
因为两个64位数乘积可能需要128位来保存，所以x86-64提供了一些对128位数的支持。
