Swift与LLVM-Clang原理与示例

Swift与LLVM-Clang原理与示例

LLVM 学习

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 从 简单汇编基础 到 Swift 不简单的 a + 1

作为iOS开发，程序崩溃犹如家常便饭，秉着没有崩溃也要制造崩溃的原则

每天都吃的很饱

但学艺不精的经常有这样的困扰，每次崩溃都定位到一堆。类似

movq $0x0, 0xc7a(%rip) 的天书里面

初识汇编

虽然不知道movq是什么意思，但知道move

move 的意思，没错是 飘逸

至于q，不管 q不q 的，哎e呢？

汇编语言

汇编语言:(assembly language) 是一种用于 电子计算机、微处理器、微控制器，或其他可编程器件的低级语言 - 维基百科

简单来说，平时写的代码都是高级语言，计算机不理解高级语言，就像吃饭不吃塑料包装一样，吃的是里面的东西

汇编语言是二进制指令的 文本形式，计算机会把代码转换为汇编语言，汇编语言通过机器指令 还原成 二进制代码，也就是所谓的 0，1，计算机就可以执行了。

每一个 CPU的机器指令不同，所以对应的汇编语言也不同。  

寄存器

为什么需要了解寄存器？

因为汇编语言 的数据存储 与寄存器和内存 息息相关

一般来说，数据是放在内存中的，CPU 计算的时候就去内存里拿数据，但是

CPU 的运算速度 > 内存的运算速度

就仿佛

吃饭的速度 > 食堂大妈打菜的速度

受不了，大妈受得了吗？

所以CPU 自带了一级，二级缓存，相当于大妈让她儿子给送饭

问题是这个中间层还是慢且不稳定

CPU 缓存的数据地址是 不固定的，意味着点了份 西红柿盖浇饭，让店员给送到座位上，店员找了半个小时，发现坐在别人店里。

所以CPU 有了寄存器，来存储频繁使用的数据。CPU 通过寄存器 跟 内存 间接交换数据

寄存器都有自己的名称(如 rax ，rdx等)

说坐在C区21号，店员还不是分分钟把饭塞到嘴里，质问：喂，还要饭吗？

所以CPU 会去 指定名称的 寄存器拿数据，这样速度就不快了嘛

天下武功，唯快不破。

所以为什么需要寄存器，因为读写速度够快

内存

说到底，寄存器依旧是一个暂存区，只是一个中间站，真正存储数据，操作数据的还是内存。

以下是内存分布图:

 

 

 简单介绍一下堆栈

  • 堆 heap
  • 栈 stack
    • 分配方式：alloc，速度相对栈比较慢，容易产生内存碎片
    • 管理方式： 程序员，ARC下面，堆区的分配和释放基本也是系统操作
    • 地址分布：从低到高，非连续
    • 大小：取决于计算机系统的有效的虚拟空间
    • 作用：动态分配内存，存储变量，延长生命周期
    • 一端进行插入和删除操作的特殊线性表
    • 分配方式： 系统，速度比较快
    • 管理方式： 系统，不受程序员控制
    • 地址分布：从高到低，连续
    • 大小：栈顶的地址和容量是系统决定
    • 生命周期：出了作用域就会释放
    • 入栈出栈：先进后出，类似羽毛球筒，先放入的羽毛球，总是最后才能拿到 

在Linux 下，iterm2 敲下ulimit -a，可以看到栈分配的默认大小为 8192 ，也就是 8M

-t: cpu time (seconds)              unlimited
-f: file size (blocks)              unlimited
-d: data seg size (kbytes)          unlimited
-s: stack size (kbytes)             8192
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汇编语言

因为是iOS开发，所以就只稍微了解了 AT&T 汇编 的皮毛

虽然看起来会枯燥一点，但是理解这些比较常用的寄存器，对汇编代码的理解就会有质的飞跃

之前是门外汉

现在好歹算个半个汇编人

iOS 模拟器、MAC OS、Linux : AT&T汇编 ; 
 
iOS 真机： ARM 汇编
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x86-64 中,AT&T 中常用的 寄存器有 16种：

  • %rax、%rbx、%rcx、%rdx、%rsi、%rdi、%rbp、%rsp
  • %r8、%r9、%r10、%r11、%r12、%r13、%r14、%r15

常用寄存器

AT&T 常用寄存器介绍：

%rax：常作为函数返回值。 一般来说，为了向后兼容，64位的寄存器会兼容32的寄存器，32和64可以一起使用

64位: 8个字节 ，以 r 开头; 32位: 4个字节，以e 开头，看图

 

 

 在64位的寄存器 rax中，为了兼容分配了较低的32位，也就是4个字节 给了 eax。基本上，汇编出现的eax 就是 代表rax，eax是 rax 的一部分，其他 部分寄存器同理

%rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8、%r9: 常作为函数参数

r8,r9 这种32位的表示法，通常在后面加d，如r8d,r9d

%rip: 指令指针，存储CPU 即将执行的指令地址

  • 解释一下rip

即将执行: 下一条执行

指令地址: 开头的那一串 0x100...

截取2句汇编:

 7 --  0x100000a64 <+20>:  movq   $0x1, 0x719(%rip)

 8 --  0x100000a6f <+31>:  movl   %edi, -0x34(%rbp)

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第7行中的 0x719(%rip) 中的 rip 就是指令指针，即将执行的 地址 就是 第8行 开头的那个地址0x100000a6f

所以这里rip 的地址就是 0x100000a6f,有了rip 的地址

一般来说

0x719(%rip) 就是 0x719 + %rip地址

-0x719(rip) 就是 %rip - 0x719

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栈相关

%rbp: 栈基址指针也称为帧指向，指向栈底

%rsp: 栈指针，指向栈顶

常用指令

一些比较常见的能理解的指令

 

 那么这个q 是干什么的呢 ？callq ,leaq ,movq 都有q？

  • 这里的q 是 代表字节大小
    • b-byte 字节，操作位宽 1个字节
    • w-word ，2个字节
    • l-long ，4个字节
    • q-quadword，8个字节
q意味着，寄存器操作的数据类型 需要占用的 操作位宽，当然这根据 数据类型决定
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所以上面那句代码  

movq $0x1, 0x719(%rip)

意思是，立即数 1 寻址 (0x719 + %rip),并赋值。将 1 赋值给 (0x719 + 0x100000a6f) 这个地址，操作位宽是8 个字节

读取寄存器

介绍几个 lldb 的常用指令，可以方便查阅 寄存器的值

  • register read/格式： 读取寄存器的值
register read/x rax   // 读取寄存器 rax 里面的值
x:16进制
f:浮点
d:10进制
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  • register write 修改寄存器的值
(lldb) register read/x rax
     rax = 0x0000000000000003
(lldb) register write rax 4 // 修改为4
(lldb) register read/x rax
     rax = 0x0000000000000004
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  • x/数量-格式-字节大小: 读取内存中的值
x/4xg 0x1000002   
// 将 0x1000002 地址的值，以8个字节的格式，分成4份，16进制 展示
// 这里是展示 和 上面的操作不太一样，g 表示8个字节
b - byte 1字节
h - half word 2字节
w - word 4字节
g - giant word 8字节
如果数据的值不够分成4份，剩下的字节以0 补齐
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栈帧

帧，在电影中指每一张画面，一种平均单位

栈帧：站着的帧，画面立体了起来，不单单是一个角度，里面包含了很多信息

包含了

每一次* 函数调用涉及的相关信息

局部变量、函数返回地址、函数参数等
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都知道，函数的调用是会在栈上分配内存的，分配多少取决于函数的参数和局部变量

那么一个函数的占用的内存大小，函数的返回地址，就需要保存起来，这就用到了栈帧

  • 为什么需要保存函数的信息？

因为函数运行完毕 ，在栈上需要释放内存，以及继续执行上一层代码，需要上一层函数的返回地址，在本次函数执行完毕后，恢复父函数的栈帧结构

想象这样一个场景

类比一下接力赛中，4位选手
栈顶 1 -> 2 -> 3 -> 4 栈底，每一位选手都要在拿到接力棒后，才会开跑
那么 1号选手，就需要保存2号选手的信息，不需要知道 3号 和 4号
下一个接棒者 长什么样？身上的号码牌？站在哪里？
1 号选手结束之后， 赛场队伍就只剩  2 -> 3 -> 4，此时焦点就集中在2号选手
选手跑步    -> 函数调用
选手信息    -> 栈帧保存的信息
视线焦点    -> 栈指针，指向当前选手
只有清楚了下一位的接棒人(在栈中对应上一层函数)，才能在本次结束之后找到正确的位置，继续执行流程
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至于信息的保存者？ 取决于寄存器的标识 Caller Save 和 Callee Save

  当子函数调用的时候，也会用到父函数的寄存器，可能会存在覆盖寄存器的值。

* Caller Save，调用者保存
父函数调用子函数之前，将寄存器的值保存一份,这样子函数就可以随意覆盖
* Callee Save，被调用者保存
父函数不保存，交由子函数 保存和恢复 寄存器的值
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例子

简单的建立一个 命令行 工程，打开汇编 Always Show Disassembly

用 Swift 写出以下代码

func test() -> Int {
    var a = 3
    a = a + 1
    return a
}
-> test()  // 断点指向test，run
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程序运行起来，程序断点在 test 函数调用的地方

zzz`main:
    0x100000bc0 <+0>:  pushq  %rbp
    0x100000bc1 <+1>:  movq   %rsp, %rbp
    0x100000bc4 <+4>:  subq   $0x20, %rsp
    0x100000bc8 <+8>:  movl   %edi, -0x4(%rbp)
    0x100000bcb <+11>: movq   %rsi, -0x10(%rbp)
->  0x100000bcf <+15>: callq  0x100000bf0               ; zzz.test() -> Swift.Int at main.swift:189
    0x100000bd4 <+20>: xorl   %edi, %edi
    0x100000bd6 <+22>: movq   %rax, -0x18(%rbp)
    0x100000bda <+26>: movl   %edi, %eax
    0x100000bdc <+28>: addq   $0x20, %rsp
    0x100000be0 <+32>: popq   %rbp
    0x100000be1 <+33>: retq   
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控制台 用 si 进入 test 函数内部

可以看到 test 内部的汇编代码,参考下面的图，说一说理解

zzz`test():
->  0x100000bf0 <+0>:  pushq  %rbp
    0x100000bf1 <+1>:  movq   %rsp, %rbp
    0x100000bf4 <+4>:  movq   $0x0, -0x8(%rbp)
    0x100000bfc <+12>: movq   $0x3, -0x8(%rbp)
    0x100000c04 <+20>: movq   $0x4, -0x8(%rbp)
    0x100000c0c <+28>: movl   $0x4, %eax
    0x100000c11 <+33>: popq   %rbp
    0x100000c12 <+34>: retq   
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  • 借图，侵删

子函数调用时，调用者与被调用者的栈帧结构

 

 分析

test 函数 一进来，就执行了下面两句代码
->  0x100000bf0 <+0>:  pushq  %rbp
    0x100000bf1 <+1>:  movq   %rsp, %rbp
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一开始，test 函数 就进行了 压栈

pushq %rbp

压栈的是父函数 main函数的 栈帧指针 %rbp

% rbp指向的返回地址， 是main 函数 调用完 test ，应该回到哪里的地址，也就是当前函数test 调用开始时 栈的位置

而此时 test 函数的 %rbp ，相当于是新的%rbp

 

 

 然后通过

movq %rsp, %rbp

将%rsp 也 指向 %rbp，test 栈帧 的初始位置

因为%rsp 总是指向新的元素，所以在被 一些局部变量等 填充之后，来到了栈顶

函数的调用: 栈帧被创建 -> 填充 -> 销毁

接着

    0x100000bf4 <+4>:  movq   $0x0, -0x8(%rbp)

    0x100000bfc <+12>: movq   $0x3, -0x8(%rbp)

    0x100000c04 <+20>: movq   $0x4, -0x8(%rbp)

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将 立即数 0 ，赋值给 %rbp - 0x8的 8个字节 的内存空间 用于初始化

后面又将 参数3，覆盖，以及计算+1 的值 继续覆盖，这里应该是省略了 +1 的操作 

接着

movl $0x4, %eax

前面说过，%rax 通常作为返回值，%eax 是 %rax 的32位表示，将 立即数4赋值给 %eax作为返回值

这里用到了movl 和 %eax，是因为 int类型 占用4个字节，只需要 4个字节即可，所以用到了 %rax 的 较低的 32位 `

到这里就得到了 test函数的 返回值 4

再来

    0x100000c11 <+33>: popq   %rbp

    0x100000c12 <+34>: retq  

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前有 push ，后就有pop，将test 中的寄存器 %rbp 从栈中弹出，恢复调用前的 rbp，而

retq 等价于 popq %rip，前面说过rip 代表着 下一条指令

将%rip 指令指针，从新指回 test 函数调用后的 下一条 指令，这样程序就可以继续运行了

此时的 内存分布

 

 

 test 函数的内存空间，随着作用域的结束，就被释放了

到底为止，就简单的理解了 test 函数 a + 1的 汇编过程

x86-64 下函数调用及栈帧原理

缘起

在 C/C++ 程序中，函数调用是十分常见的操作。这一操作的底层原理是怎样的？编译器帮做了哪些操作？CPU 中各寄存器及内存堆栈在函数调用时是如何被使用的？栈帧的创建和恢复是如何完成的？针对上述问题，本本文进行了探索和研究。

通用寄存器使用惯例

函数调用时，在硬件层面需要关注的通常是cpu 的通用寄存器。在所有 cpu 体系架构中，每个寄存器通常都是有建议的使用方法的，而编译器也通常依照CPU架构的建议来使用这些寄存器，因而可以认为这些建议是强制性的。

对于 x86-64 架构，共有16个64位通用寄存器，各寄存器及用途如下图所示：

 

 

 从上图中，可以得到如下结论：

  • 每个寄存器的用途并不是单一的。
  • %rax 通常用于存储函数调用的返回结果，同时也用于乘法和除法指令中。在imul 指令中，两个64位的乘法最多会产生128位的结果，需要 %rax 与 %rdx 共同存储乘法结果，在div 指令中被除数是128 位的，同样需要%rax 与 %rdx 共同存储被除数。
  • %rsp 是堆栈指针寄存器，通常会指向栈顶位置，堆栈的 pop 和push 操作就是通过改变 %rsp 的值即移动堆栈指针的位置来实现的。
  • %rbp 是栈帧指针，用于标识当前栈帧的起始位置
  • %rdi, %rsi, %rdx, %rcx,%r8, %r9 六个寄存器用于存储函数调用时的6个参数（如果有6个或6个以上参数的话）。
  • 被标识为 “miscellaneous registers” 的寄存器，属于通用性更为广泛的寄存器，编译器或汇编程序可以根据需要存储任何数据。

这里还要区分一下 “Caller Save” 和 ”Callee Save” 寄存器，即寄存器的值是由”调用者保存“ 还是由 ”被调用者保存“。当产生函数调用时，子函数内通常也会使用到通用寄存器，那么这些寄存器中之前保存的调用者(父函数）的值就会被覆盖。为了避免数据覆盖而导致从子函数返回时寄存器中的数据不可恢复，CPU 体系结构中就规定了通用寄存器的保存方式。

如果一个寄存器被标识为”Caller Save”， 那么在进行子函数调用前，就需要由调用者提前保存好这些寄存器的值，保存方法通常是把寄存器的值压入堆栈中，调用者保存完成后，在被调用者（子函数）中就可以随意覆盖这些寄存器的值了。如果一个寄存被标识为“Callee Save”，那么在函数调用时，调用者就不必保存这些寄存器的值而直接进行子函数调用，进入子函数后，子函数在覆盖这些寄存器之前，需要先保存这些寄存器的值，即这些寄存器的值是由被调用者来保存和恢复的。

函数的调用

子函数调用时，调用者与被调用者的栈帧结构如下图所示：

 

 

 在子函数调用时，执行的操作有：父函数将调用参数从后向前压栈 -> 将返回地址压栈保存 -> 跳转到子函数起始地址执行 -> 子函数将父函数栈帧起始地址（%rpb） 压栈 -> 将 %rbp 的值设置为当前 %rsp 的值，即将 %rbp 指向子函数栈帧的起始地址。

上述过程中，保存返回地址和跳转到子函数处执行由 call 一条指令完成，在call 指令执行完成时，已经进入了子程序中，因而将上一栈帧%rbp 压栈的操作，需要由子程序来完成。函数调用时在汇编层面的指令序列如下：

保存返回地址和保存上一栈帧的%rbp 都是为了函数返回时，恢复父函数的栈帧结构。在使用高级语言进行函数调用时，由编译器自动完成上述整个流程。对于”Caller Save” 和 “Callee Save” 寄存器的保存和恢复，也都是由编译器自动完成的。

 父函数中进行参数压栈时，顺序是从后向前进行的。但是，这一行为并不是固定的，是依赖于编译器的具体实现的，在gcc 中，使用的是从后向前的压栈方式，这种方式便于支持类似于 printf(“%d, %d”, i, j) 这样的使用变长参数的函数调用。

函数的返回

函数返回时，只需要得到函数的返回值（保存在 %rax 中），之后就需要将栈的结构恢复到函数调用之差的状态，并跳转到父函数的返回地址处继续执行。由于函数调用时已经保存了返回地址和父函数栈帧的起始地址，要恢复到子函数调用之前的父栈帧，只需要执行以下两条指令：

为了便于栈帧恢复，x86-64 架构中提供了 leave 指令来实现上述两条命令的功能。执行 leave 后，前面图中函数调用的栈帧结构如下：

 

 

 可以看出，调用 leave 后，%rsp 指向的正好是返回地址，x86-64 提供的 ret 指令，其作用就是从当前 %rsp 指向的位置（即栈顶）弹出数据，并跳转到此数据代表的地址处，在leave 执行后，%rsp 指向的正好是返回地址，因而 ret 的作用就是把 %rsp 上移一个位置，并跳转到返回地址执行。可以看出，leave 指令用于恢复父函数的栈帧，ret 用于跳转到返回地址处，leave 和ret 配合共同完成了子函数的返回。当执行完成 ret 后，%rsp 指向的是父栈帧的结尾处，父栈帧尾部存储的调用参数由编译器自动释放。

函数调用示例

为了更深入的了解函数调用原理，可以使用一个程序示例来观察函数的调用和返回。程序如下：

  return sum;
} 
int main(void) {
  int i = 10;
  int j = 20;
  int k = i + j;
  int sum = add(11, 22,33, 44, 55, 66, 77, 88);
  int m = k; // 为了观察 %rax Caller Save 寄存器的恢复
  return 0;
}

在main 函数中，首先进行了一个 k=i+j 的加法，这是为了观察 Caller Save 效果。因为加法会用到 %rax，add 函数的返回值也会使用 %rax。由于 %rax 是 Caller Save 寄存器，在调用 add 子函数之前，程序应该先保存 %rax 的值。

add 函数使用了 8 个参数，这是为了观察当函数参数多于6个时程序的行为，前6个参数会保存到寄存器中，多于6个的参数会保存到堆栈中。但是，由于在子程序中可能会取参数的地址，保存在寄存器中的前6个参数是没有内存地址的，因而可以猜测，保存在寄存器中的前6个参数，在子程序中也会被压入到堆栈中，这样才能取到这6个参数的内存地址。上面程序生成的和子函数调用相关的汇编程序如下：

在汇编程序中，如果使用的是64位通用寄存器的低32位，则寄存器以 ”e“ 开头，比如 %eax，%ebx 等，对于 %r8-%r15，其低32 位是在64位寄存后加
“d” 来表示，比如 %r8d, %r15d。如果操作数是32 位的，则指令以 ”l“ 结尾，例如
movl $11, %esi，指令和寄存器都是32位的格式。如果操作数是64 位的，则指令以 q 结尾，例如 “movq
%rsp, %rbp”。由于示例程序中的操作数全部在32位的表示范围内，因而上面的加法和移动指令全部是用的32位指令和操作数，只有在创建栈帧时为了地址对齐才使用的是64位指令及操作数。

首先看 main 函数的前三条汇编语句：

这三条语句保存了父函数的栈帧（注意main函数也有父函数），之后创建了main 函数的栈帧并且在栈帧中分配了48Byte 的空位，这三条语句执行完成后，main 函数的栈帧如下图所示：

 

 

 之后，main 函数中就进行了 k=i+j 的加法和 add 参数的处理：

在进行 k=i+j 加法时，使用 main 栈空间的方式较为特别。并不是按照通常认为的每使用一个栈空间就会进行一次push 操作，而是使用之前预先分配的 48 个空位，并且用 -N(%rbp) 即从 %rbp 指向的位置向下计数的方式来使用空位的，本质上这和每次进行 push 操作是一样的，最后计算 i+j 得到的结果 k 保存在了 %eax 中。之后就需要准备调用 add 函数了。

 add 函数的返回值会保存在 %eax 中，即 %eax 一定会被子函数 add 覆盖，而现在 %eax 中保存的是 k 的值。在 C 程序中可以看到，在调用完成 add 后，又使用了 k 的值，因而在调用 add 中覆盖%eax 之前，需要保存 %eax 值，在add 使用完%eax 后，需要恢复 %eax 值（即k 的值），由于 %eax 是 Caller Save的，应该由父函数main保存 %eax 的值，因而上面汇编中有一句 “movl %eax, -12(%rbp)” 就是在调用 add 函数之前来保存 %eax 的值的。

对于8个参数，可以看出，最后两个参数是从后向前压入了栈中，前6个参数全部保存到了对应的参数寄存器中，与本文开始描述的一致。

进入 add 之后的操作如下：

add 中最前面两条指令实现了新栈帧的创建。之后把在寄存器中的函数调用参数压入了栈中。在本文前面提到过，由于子程序中可能会用到参数的内存地址，这些参数放在寄存器中是无法取地址的，这里把参数压栈，正好印证了之前的猜想。

 在参数压栈时，看到并未使用 push 之类的指令，也没有调整 %esp 指针的值，而是使用了 -N(%rbp) 这样的指令来使用新的栈空间。这种使用”基地址+偏移量“ 使用栈的方式和直接使用 %esp 指向栈顶的方式其实是一样的。

这里有两个和编译器具体实现相关的问题：一是上面程序中，-8(%rbp) 和 -12(%rbp) 地址并未被使用到，这两个地址之前的地址 -4(%rbp) 和之后的 -16(%rsp) 都被使用到了，这可能是由于编译器具体的实现方式来决定的。另外一个就是如下两条指令：

先是把 %eax 的值赋值给的 -4(%rbp)，之后又逆向赋值了一次，可能是编译器为了通用性才如此操作的。以上两个问题需要后续进一步研究。

 当add函数返回后，返回结果会存储在%eax 中，%rbp 和 %rsp 会调整为指向 main 的栈帧，之后会执行main 函数中的如下指令：

可以看出，当 add 函数返回时，把返回值保存到了 %eax 中，使用完返回值后，会恢复 caller save 寄存器 %eax的值，这时main 栈帧与调用 add 之前完全一样。

 在调用 add 之前，main 中执行了一条 subq 48, %rsp 这样的指令，原因就在于调用 add 之后，main 中并未调用其他函数，而是执行了两条赋值语句后就直接从main返回了。 main 结尾处的 leave、ret 两条指令会直接覆盖 %rsp 的值从而回到 main 的父栈帧中。如果先调整 main 栈帧的 %rsp 值，之后 leave 再覆盖 %rsp 的值，相当于调整是多余的。因而省略main 中 add返回之后的 %rsp 的调整，而使用 leave 直接覆盖%rsp更为合理。

结语

本文从汇编层面介绍了X86-64 架构下函数调用时栈帧的切换原理，了解这些底层细节对于理解程序的运行情况是十分有益的。并且在当前许多程序中，为了实现程序的高效运行，都使用了汇编语言，在了解了函数栈帧切换原理后，对于理解这些汇编也是非常有帮助的。


参考链接：

https://hanleylee.com/compile-of-ios-project.html

https://mp.weixin.qq.com/s/FSlJKnC0y51nsLDp1B3tXg

https://zhuanlan.zhihu.com/p/27339191

https://juejin.cn/post/6844903970993864711

 

posted @ 2021-12-20 06:01  吴建明wujianming  阅读(518)  评论(0)  编辑  收藏  举报