Go 汇编学习笔记

0.前言

学习 Go 离不开看源码，源码又包含大量汇编代码，离开汇编是学不好 Go 的。同样，离开汇编去学习计算机是不完整的，汇编是基石，是离操作系统和硬件最近的一层。

虽然之前学过一点 Go 汇编，也写了博客，再回头看还是有些地方不理解，看完王爽老师的《汇编语言》部分内容豁然开朗，也加深了对 Go 汇编的理解。

本篇笔记结合王爽老师《汇编语言》和《Go 高级编程》部分内容，对理解进行总结，强化，加工再输出。

1．8086 汇编语言

注：王爽老师教材所用系统为 8086 16位体系架构，这里的举例环境为 X86 64 位体系架构：

Linux lubanseven 4.19.148-2.wf31.x86_64 #1 SMP Mon Oct 26 13:10:20 EET 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

1.1 计算机基础知识

计算机处理的语言称为机器语言，它是 0 和 1 组成的二进制序列。二进制序列难读，难写，难维护，后来在机器语言之上又加了一层汇编语言，它是一种注记语言，通过汇编器将汇编语言翻译为机器语言。对于程序员来说只用写汇编语言就能操作计算机。对于可复用的汇编代码，可抽象为公共库的形式，通过链接的方式生成机器代码。

因此，汇编顺序可记为：汇编 -> 编译 -> 链接 -> 机器码。

不管是机器语言还是汇编都需要操作寄存器和内存。通过指令将寄存器和内存串联起来即可实现 CPU 工作。指令集，寄存器和内存介绍如下。

1.1.1 指令集

完整的 X86 指令集：https://github.com/golang/arch/blob/master/x86/x86.csv

1.1.2 寄存器

寄存器是 CPU 的组成部分，它是有限存储容量的高速存储部件，可用来存储指令，数据和内存地址。

寄存器按类型可分为通用寄存器，指令寄存器，标志寄存器。

通用寄存器：

ah/al = 8bits
ax/bx = 16bits
eax/ebx = 32bits
rax/rbx = 64bits
...

指令寄存器：

标志寄存器：

eflags

不同寄存器有特定的作用，可通过 dlv 的 regs 查看寄存器：

(dlv) regs
    Rip = 0x000000000046886f
    Rsp = 0x000000c000038780
    Rax = 0x0000000000468860
    Rbx = 0x0000000000000000
    Rcx = 0x000000c000000180
    Rdx = 0x0000000000484318
    Rsi = 0x00007f2471803108
    Rdi = 0x000000c00001a120
    Rbp = 0x000000c0000387d0
     R8 = 0x0000000000000000
     R9 = 0x0000000000000000
     ...
Rflags = 0x0000000000000202    [IF IOPL=0]
     Es = 0x0000000000000000
     Cs = 0x0000000000000033
     Ss = 0x000000000000002b
     Ds = 0x0000000000000000
     Fs = 0x0000000000000000
     Gs = 0x0000000000000000

1.1.3 内存

内存是存储汇编代码和数据的存储器。程序中代码和数据要放在内存中存储，且要分段存储。即，代码存储在代码段，数据存储在数据段。为何要这样存储，一来程序简洁，二来段空间是有限的，指令通过 CS （基地址）和 IP（偏移地址）寄存器访问段空间（假设数据也放在代码段），而 IP 寄存器是有限位的，这一限制导致了偏移地址访问内存段不可能无限大。因此，分段是必须的。

程序分为代码段和数据段。在代码段中如果一条条执行指令，程序的复用性很差，引入 push/pushf 和 pop/popf 指令和栈（FILO）可实现在代码段中调用子代码段，子代码段在高级语言中也称为函数。

函数所使用的栈空间是从高地址到低地址分配的，寄存器 SS（基地址）和 SP（偏移地址）记录了栈空间的内存位置。

指令是软件实现，寄存器和内存是物理实体。CPU 通过什么将寄存器和内存串联起来按照指令执行呢？

通过系统总线。根据总线位置可将总线分为内部总线和外部总线，根据总线类型可将总线分为地址总线，数据总线和控制总线。

地址总线负责传输地址，如 mov ax, [dx] 指令，将 ds(基地址) 和 dx 寄存器中存储的内存地址的内容传递给 ax，在传递过程中首先通过地址总线取 dx 的内存地址。在通过数据总线，将内存地址中存储的数据传输到 ax 中。

Ps: 理解了总线就能知道为什么数据从内存到内存传输是不行的，因为数据要经过总线，通过 CPU 根据指令读取内存数据到寄存器，再写入寄存器的数据到内存地址。

1.2 汇编指令

汇编指令集有很多，这里摘几个重点的介绍下指令背后的逻辑。

1.2.1 jmp

jmp 跳转指令，跳转指令实际上改变的是段偏移地址寄存器的值。跳转又可分为段内跳转和段间跳转，段间跳转改变的是段偏移地址（IP）和段基址寄存器 (CS) 的值。

1.2.2 cmp

cmp 比较指令，比较指令通过将操作数相减来改变 flag 寄存器的标志位。

cmp 指令常和逻辑判断指令结合，逻辑判断指令 (jnz/jnb/...) 通过检查 flag 寄存器标志位确定判断结果。

1.2.3 call 和 ret

汇编代码中通过 call 和 ret （不是必须的）实现子程序段的进入和返回。

call 可看作以下指令的合集：

push IP
jmp near ptr 标号

注意，jmp 标号可实现段内和段间地址跳转。如果是段间地址跳转 call 指令等于：

push CS
push IP
jmp far ptr 标号

ret 指令可看作：

pop IP(段内)

举例如下：

assume cs:code
code segment
  start: mov ax, 1
         mov cx, 3
         call s
         mov bx, ax
         mov ax, 4c00h
         int 21h
      s: add ax, ax
         loop s
         ret
code ends
end start

执行流程如下：

CPU 读入指令 call s，IP 加 2 指向指令 mov bx, ax。
CPU 执行 call s，段内跳转。首先，将 IP 值 push 到栈上 (栈的位置通过 SS 基地址和 SP 偏移地址定位。SP–2 开辟空间给 IP，接着 IP 值存储到开辟空间) 。然后，执行 jmp near ptr s 跳转到子程序段 s 处。跳转到 s 处改变的是 IP 的值，CS 和 IP 共同定位指令执行位置。
当执行 s 到 ret 处，执行 pop IP 弹出栈上 IP 的值到 IP 寄存器，IP 的值指向的是 call 的下一条指令，从而实现子程序的返回和程序的执行。

2. Go 汇编

2.1 计算机结构

Go 汇编和 8086 汇编体系架构如下：

AMD64 架构 Go 汇编 AMD64 架构

其中：

text: 内存区中的代码段
rodata: 数据段，存储的是只读数据
data: 数据段

Go 汇编代码新增四个伪寄存器 PC,FP,SP 和 SB 简化汇编代码的编写：

FP: 使用形如 symbol+offset(FP) 的方式，引用函数的输入参数。例如 arg0+0(FP)，arg1+8(FP)，使用 FP 不加 symbol 时，无法通过编译，在汇编层面来讲，symbol 并没有什么用，加 symbol 主要是为了提升代码可读性。另外，官方文档虽然将伪寄存器 FP 称之为 frame pointer，实际上它根本不是 frame pointer，按照传统的 x86 的习惯来讲，frame pointer 是指向整个 stack frame 底部的 BP 寄存器。假如当前的 callee 函数是 add，在 add 的代码中引用 FP，该 FP 指向的位置不在 callee 的 stack frame 之内，而是在 caller 的 stack frame 上。
PC: 实际上就是在体系结构的知识中常见的 pc 寄存器，在 x86 平台下对应 ip 寄存器，amd64 上则是 rip。
SB: 全局静态基指针，一般用来声明函数或全局变量。
SP: plan9 的这个 SP 寄存器指向当前栈帧的局部变量的开始位置，使用形如 symbol+offset(SP) 的方式，引用函数的局部变量。offset 的合法取值是 [-framesize, 0)，注意是个左闭右开的区间。假如局部变量都是 8 字节，那么第一个局部变量就可以用 localvar0-8(SP) 来表示。这也是一个词不表意的寄存器。与硬件寄存器 SP 是两个不同的东西，在栈帧 size 为 0 的情况下，伪寄存器 SP 和硬件寄存器 SP 指向同一位置。手写汇编代码时，如果是 symbol+offset(SP) 形式，则表示伪寄存器 SP。如果是 offset(SP) 则表示硬件寄存器 SP。务必注意。对于编译输出(go tool compile -S / go tool objdump)的代码来讲，目前所有的 SP 都是硬件寄存器 SP，无论是否带 symbol。

2.2 函数调用

通过函数分析代码如下：

func main() {
       a, b := 1, 2
       println(sum(a, b))
}

func sum(x, y int) int {
       z := x + y
       return z
}

通过 go tool compile -S -N -l 反汇编代码，其中 -N -l 指明编译器不优化汇编代码。汇编代码输出较多不易展开，这里逐段分析。

对于 main 函数段如下：

        0x0000 00000 (main.go:3)        TEXT    "".main(SB), ABIInternal, $56-0
        0x0000 00000 (main.go:3)        MOVQ    (TLS), CX
        0x0009 00009 (main.go:3)        CMPQ    SP, 16(CX)
        0x000d 00013 (main.go:3)        PCDATA  $0, $-2
        0x000d 00013 (main.go:3)        JLS     121
        ...
        0x0079 00121 (main.go:6)        NOP
        0x0079 00121 (main.go:3)        PCDATA  $1, $-1
        0x0079 00121 (main.go:3)        PCDATA  $0, $-2
        0x0079 00121 (main.go:3)        CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
        0x007e 00126 (main.go:3)        PCDATA  $0, $-1
        0x007e 00126 (main.go:3)        NOP
        0x0080 00128 (main.go:3)        JMP     0

TEXT 段是声明段，SB 是静态基地址寄存器，$56-0 中 56 表示 main 函数帧栈大小，0 表示传入参数和返回值。

接着，MOVQ （TLS），CX 和 CMPQ SP，16（CX）比较函数帧栈空间是否足够，如果不足执行 JLS 跳到 121 行，121 行执行的是 runtime.morestack_noctxt 函数，该函数为 main 帧栈开辟栈空间，开辟完栈空间后执行 JMP 0 跳转到 main 函数处继续判断栈空间是否足够，重复上述过程，直到空间足够。

这里有几个问题需要再详细了解下：

MOVQ (TLS)，CX 和 CMPQ SP，16（CX）是怎么比较栈空间的？
什么情况会出现栈空间不足？

分别讨论这两个问题。

问题1：

MOVQ （TLS）, CX 负责加载 g 结构体指针，CMPQ SP, 16(CX) 将栈指针 SP 和 g 结构体的 stackgroud0 成员比较，如果比较结果小于 0 说明栈空间不足，跳到 runtime.morestack_noctxt 开辟栈空间。

通过 dlv debug 查看这一过程：

(dlv) disassemble
TEXT main.main(SB) /root/go/src/spec/asm/main.go
        main.go:3       0x468860        64488b0c25f8ffffff      mov rcx, qword ptr fs:[0xfffffff8]
        main.go:3       0x468869        483b6110                cmp rsp, qword ptr [rcx+0x10]
        ...
        main.go:3       0x46886d        766a                    jbe 0x4688d9
        main.go:3       0x4688d9        e802b0ffff              call $runtime.morestack_noctxt

寄存器 rsp 和 rcx 的值为：

(dlv) regs
    Rsp = 0x000000c000038780
    Rcx = 0x000000c000000180

注意，rcx 表示的是偏移地址，和 rsp 地址比较的是偏移地址 rcx 和基地址的地址。

问题2：

一个典型的场景是调用递归函数时栈空间不足。调用递归时，编译器无法事先预知递归函数函数栈大小，在递归调用时，会动态分配函数栈。

举例：

func main() {
       println(sum(100))
}

func sum(n int) int {
       if n > 0 {
              return n + sum(n-1)
       } else {
              return 0
       }
}

执行函数得到结果 5050。当给函数 sum 加上 nosplit 限制后，程序执行将报错：

//go:nosplit
func sum(n int) int { ... }

$ go run main.go
# command-line-arguments
main.sum: nosplit stack overflow
        792     assumed on entry to main.sum (nosplit)
        768     after main.sum (nosplit) uses 24
        760     on entry to main.sum (nosplit)
        ...

错误原因是加上 nosplit，即声明该函数不允许扩栈，当栈内存不足时程序将报错。查看反汇编代码：

"".sum STEXT nosplit size=103 args=0x10 locals=0x20 funcid=0x0
        0x0000 00000 (main.go:16)       TEXT    "".sum(SB), NOSPLIT|ABIInternal, $32-16
        0x0000 00000 (main.go:16)       SUBQ    $32, SP
        0x0004 00004 (main.go:16)       MOVQ    BP, 24(SP)
        0x0009 00009 (main.go:16)       LEAQ    24(SP), BP
        ...

从反汇编代码可以看出，比较栈大小和开辟栈空间指令被禁用了。

继续查看 go 汇编代码：

        0x000f 00015 (main.go:3)        PCDATA  $0, $-1
        0x001d 00029 (main.go:3)        FUNCDATA        $0,

PCDATA 用于生成 PC 表格，通过 PC 表格可以查询指令对应的函数和位置信息。

FUNCDATA 生成 FUNC 表格，用于记录函数的参数、局部变量的指针信息。

（详细描述可参考这里）

接着看代码：

        0x000f 00015 (main.go:3)        SUBQ    $56, SP
        0x0013 00019 (main.go:3)        MOVQ    BP, 48(SP)
        0x0018 00024 (main.go:3)        LEAQ    48(SP), BP

当栈空间足够时，继续往下执行。首先，SP 栈偏移寄存器减 $56，注意这里的 SP 是真寄存器，栈是从高地址到低地址增长的，减 $56 表示开辟 56 字节的内存空间。

开辟空间后，将 BP 寄存器作为 main 函数栈的栈底。首先，将原 BP 寄存器的值移动到 48（SP）处，48（SP）表示寄存器值加 48。然后，通过 LEAQ 指令将 48（SP）的地址赋给 BP 寄存器。

通过 dlv debug 查看这一过程如下：

=>      main.go:3       0x46886f*       4883ec38                sub rsp, 0x38
(dlv) regs
Rsp = 0x000000c000038780
Rbp = 0x000000c0000387d0

        main.go:3       0x46886f*       4883ec38                sub rsp, 0x38
        main.go:3       0x468873        48896c2430              mov qword ptr [rsp+0x30], rbp
        main.go:3       0x468878        488d6c2430              lea rbp, ptr [rsp+0x30]
=>      main.go:4       0x46887d        48c744242001000000      mov qword ptr [rsp+0x20], 0x1

(dlv) regs
Rsp = 0x000000c000038748
Rbp = 0x000000c000038778

(dlv) print *(*int)(uintptr(0x000000c000038778))
824633952208

从上述过程可以看出：

sub rsp, 0x38 指令将 rsp 寄存器的值减 0x38，0x38是 $56 的十六进制表示。rsp 的值从 0x000000c000038780 变为 0x000000c000038748（0x000000c000038780-0x38）。
mov qword ptr [rsp+0x30], rbp 指令将 rbp 的值 0x000000c0000387d0 存到[rsp+0x30]（内存地址 0x000000c000038778）。
lea rbp, ptr [rsp+0x30] 将地址0x000000c000038778 存到 rbp 中。此时，rbp 指向的内存地址的值为原 rbp 的值。打印 rbp 内存地址的值为 824633952208，该值即是 0x000000c0000387d0 的十进制表示。

接着往下走：

     4:         a, b := 1, 2
=>   5:         println(sum(a, b))
     6: }

        main.go:4       0x46887d        48c744242001000000      mov qword ptr [rsp+0x20], 0x1
        main.go:4       0x468886        48c744241802000000      mov qword ptr [rsp+0x18], 0x2
=>      main.go:5       0x46888f        488b442420              mov rax, qword ptr [rsp+0x20]

执行赋值语句 a,b := 1, 2 后，汇编指令执行了 mov qword ptr [rsp+0x20], 0x1 和 mov qword ptr [rsp+0x18], 0x2，不难看出该指令是将 1 和 2 分别赋值到 [rsp+0x20] 和 [rsp+0x28]。已知 rsp 寄存器的值，可打印变量 a 和 b：

(dlv) print *(*int)(uintptr(0x000000c000038768))
1

(dlv) print *(*int)(uintptr(0x000000c000038760))
2

接着在 main.sum 处添加断点，next 执行到 main.sum：

(dlv) break main.sum
Breakpoint 2 set at 0x468900 for main.sum() ./main.go:8

(dlv) next
=>   8: func sum(x, y int) int {

(dlv) disassemble
TEXT main.sum(SB) /root/go/src/spec/asm/main.go

=>      main.go:8       0x468900*       4883ec10                sub rsp, 0x10
(dlv) regs
    Rsp = 0x000000c000038740

执行到 main.sum 可以看到 rsp 寄存器的值变成 0x000000c000038740，这是因为执行 call 指令时CPU 在栈上开辟了 8Bytes 存储 IP 寄存器的值，该值指向 call 下一条指令。

在执行到 main.sum 之前有几条指令是已经执行完了，如下：

        main.go:5       0x46888f        488b442420              mov rax, qword ptr [rsp+0x20]
        main.go:5       0x468894        48890424                mov qword ptr [rsp], rax
        main.go:5       0x468898        48c744240802000000      mov qword ptr [rsp+0x8], 0x2

这三条指令是将 a, b 的内容拷贝到内存空间 [rsp+0x8] 和 [rsp] 中。该内容即是函数 sum 的形参，形参是在 caller 函数的帧栈上分配的。

继续执行 next:

        main.go:8       0x468900*       4883ec10                sub rsp, 0x10
        main.go:8       0x468904        48896c2408              mov qword ptr [rsp+0x8], rbp
        main.go:8       0x468909        488d6c2408              lea rbp, ptr [rsp+0x8]
        main.go:8       0x46890e        48c744242800000000      mov qword ptr [rsp+0x28], 0x0
=>      main.go:9       0x468917        488b442418              mov rax, qword ptr [rsp+0x18]

和 main 帧栈类似。首先，将 rsp 减 0x10 开辟 16Bytes 内存空间。然后，将 rbp 作为 sum 帧栈的栈底。接着 mov qword ptr [rsp+0x28], 0x0 将 0 赋给内存空间 [rsp+0x28]，[rsp+0x28] 是 main 帧栈的内存空间，其位置存放的是 sum 函数的返回值。

接着执行 next:

        main.go:9       0x468917        488b442418              mov rax, qword ptr [rsp+0x18]
        main.go:9       0x46891c        4803442420              add rax, qword ptr [rsp+0x20]
        main.go:9       0x468921        48890424                mov qword ptr [rsp], rax
=>      main.go:10      0x468925        4889442428              mov qword ptr [rsp+0x28], rax

可以看出 z := x + y 是将形参相加，相加结果通过 rax 寄存器存放到 [rsp] 处。这里，由于rsp 的位置变动了，相应的索引形参的内存地址也变成 [rsp+0x18] 和 [rsp+0x20] 而不是原始的 [rsp] 和 [rsp+0x8] 。其中，[rsp] 为 sum 帧栈局部变量 z 的内存地址。

继续执行 next:

(dlv) next
> main.main() ./main.go:5 (PC: 0x4688a6)
     4:         a, b := 1, 2
=>   5:         println(sum(a, b))

        main.go:5       0x4688a1        e85a000000              call $main.sum
=>      main.go:5       0x4688a6        488b442410              mov rax, qword ptr [rsp+0x10]

函数执行到 call 指令的下一条指令，sum 执行的指令如下：

        main.go:10      0x468925        4889442428              mov qword ptr [rsp+0x28], rax
        main.go:10      0x46892a        488b6c2408              mov rbp, qword ptr [rsp+0x8]
        main.go:10      0x46892f        4883c410                add rsp, 0x10
        main.go:10      0x468933        c3                      ret

首先，将形参相加的值存到 main 帧栈的返回空间 [rsp+0x28] 中。

然后，恢复 rbp 寄存器的原存储值，将 rsp 加 0x10 回收 sum 帧栈。从这里也可以看出，回收帧栈只是做了 rsp 寄存器的加法，并未清空 sum 帧栈存储的值。一个简单的实验是，即使 sum 帧栈回收了，我们还是可以拿到 sum 中局部变量 z 的值：

(dlv) print *(*int)(uintptr(0x000000c000038730))
3

最后，执行 ret 指令，将栈上 IP 指令寄存器的值弹出并放到 IP 寄存器中。CPU 通过 CS（基地址）和 IP（偏移地址）定位到指令 mov rax，qword ptr [rsp+0x10] ，从而实现函数的调用。

main 函数继续往下执行，对返回值进行处理，这里我们不继续执行了。读者应该能自行看出 main 对返回值做了什么操作了，这里只强调一点函数返回值的传递也是传值。

通过上述函数调用过程，画出 main 和 sum 帧栈结构图如下：

3. 引用

《Go 高级编程》：https://books.studygolang.com/advanced-go-programming-book/ch3-asm/readme.html

Go 汇编 layout：https://github.com/cch123/asmshare/blob/master/layout.md

Go 语言内联函数：https://segmentfault.com/a/1190000040399875

posted @ 2022-07-12 10:45 lubanseven 阅读(393) 评论(0) 编辑收藏举报

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