【CSAPP笔记】第三章 程序的机器级表示（1）——整数及指令

杰瑞同学
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3.2 程序编码

【例】Linux可以用命令行将源文件编译为可执行程序

gcc -Og -o p p1.c p2.c
  • 源代码转换为可执行代码的过程
    • 源代码（p1.c和p2.c）：通过编译器生成汇编代码
    • 汇编代码（p1.s和p2.s）：通过汇编器转化成二进制目标代码文件
    • 目标代码（p1.o和p2.o）：通过链接器将目标代码合并为可执行文件p

【注】-Og代表原始C代码整体结构的机器代码的优化等级。如果要提高程序性能，可以使用较高的优化等级-O1或-O2，但是会破坏C代码的结构

3.2.2 代码示例

long mult2(long, long);

void multstore(long x, long y, long *dest) {
    long t = mult2(x, y);
    *dest = t;
}

【编译】gcc -Og -S mstore.c，生成AT&T格式的汇编代码mstore.s。去掉伪指令后如下：

// void multstore(long x, long y, long *dest)
// x in %rdi, y in %rsi, dest in %rdx
multstore:
        pushq   %rbx            // Save %rbx
        movq    %rdx, %rbx      // Copy dest to %rbx
        call    mult2           // Call mult2(x, y)
        movq    %rax, (%rbx)    // mult2的返回值是%rax，赋值到*dest中
        popq    %rbx            // Restore %rbx
        ret                     // return

【汇编】gcc -Og -c mstore.c，生成mstore.o。内部有一段代码对应目标代码

53 48 89 d3 e8 00 00 00 00 48 89 03 5b c3

【反汇编】objdump -d mstore.o。可以看到与编译的结果是类似的。区别：省略了一些指令的后缀'q'，call和ret加上了后缀'q'（其实省略掉也没问题）

0000000000000000 <multstore>:
   0:   53                      push   %rbx
   1:   48 89 d3                mov    %rdx,%rbx
   4:   e8 00 00 00 00          callq  9 <multstore+0x9>
   9:   48 89 03                mov    %rax,(%rbx)
   c:   5b                      pop    %rbx
   d:   c3                      retq

3.3 数据格式

汇编代码的指令处理，某些指令是带后缀的，如movb、movq。

  • 整型：b代表字节（8bit）；w代表字（16bit）；l代表双字（32bit）；q代表四字（64bit）
  • 浮点型：有不同的指令，s代表单精度（4字节）；l代表双精度（8字节）

image-20221128080753144.png

3.4 访问信息

通用寄存器：x86-64的CPU包含16个存储64位值的通用目的寄存器

  • 寄存器的低位部分可以独立使用，兼容历史指令
  • 不同的寄存器扮演不同的角色，比如%rax默认作为返回值

image-20221128081419954.png

3.4.1 操作数

AT&T汇编指令格式：操作码 + 操作数

movq (%rdi), %rax
addq $8,     %rbx

操作数分为三种类型：

  • 立即数：表示常数。格式是$数字，比如$-577、$0x1F
  • 寄存器：表示某个寄存器的值，格式是%寄存器，比如%rax
  • 内存引用：相当于指针，根据地址访问某个内存的位置
    • 表示方式：Imm(rb,ri,s)Imm(r_b, r_i, s)，分为4个部分：立即数偏移ImmImm、基址寄存器rbr_b、变址寄存器rir_i、比例因子ss（必须是1、2、4、8之一）
    • 有效地址：Imm+R[rb]+R[ri]∗sImm+R[r_b]+R[r_i]*s

image-20221128082359267.png

【例】书中例子：假设寄存器和内存地址的值如下

image-20221201081346924.png

那么所示操作数的值如下：

image-20221201081441398.png

3.4.2 数据传送指令——MOV

  • mov：将数据从源位置复制到目的位置。根据操作数据大小，分为四种情况：movb、movw、movl、movq
movl $0x4050, %eax        //4 bytes
movw %bp, %sp             //2 bytes
movb (%rdi, %rcx), %al    //1 byte
movb $-17, (%rsp)         //1 byte
movq %rax, -12(%rbp)      //8 bytes

【例】mov立即数

movabsq $0x0011223344556677, %rax  //%rax = 0011223344556677
movb    $-1, %al                   //%rax = 00112233445566FF
movw    $-1, %al                   //%rax = 001122334455FFFF
movl    $-1, %al                   //%rax = 00000000FFFFFFFF
movq    $-1, %al                   //%rax = FFFFFFFFFFFFFFFF

【注】

  1. 使用movl时，会把寄存器的高4位字节设置为0
  2. 常规的movq只能以32位补码作为源立即数。64位立即数要用movabsq，且只能以寄存器作为目的位置
  • 移动指令：较小的源复制到较大的目的时使用
    • movz：零扩展，剩余位填充0（2.2.6节零扩展）。如：movzbw表示byte字节领扩展到word
    • movs：符号扩展，剩余位按符号扩展填充（2.2.6节符号扩展）
    • cltq：相当于movslq %eax, %rax
    • 注意：movzlq不存在，原因是与movl相同

image-20221201081735001.png

【例】书中例子

movabsq $0x0011223344556677, %rax  //%rax = 0011223344556677
movb    $0xAA, %dl                 //%dl = AA
movb    %dl, %al                   //%rax = 00112233445566AA
movsbq  %dl, %rax                  //%rax = FFFFFFFFFFFFFFAA
movzbq  %dl, %rax                  //%rax = 00000000000000AA

3.4.3 C语言的mov

long exchange(long *xp, long y)
{
    long x = *xp;
    *xp = y;
    return x;
}

【编译】gcc -Og -S exchange.c

// long exchange(long *xp, long y)
// xp in %rdi, y in %rsi
exchange:
    movq (%rdi), %rax
    movq %rsi, (%rdi)
    ret

【说明】C语言的指针其实对应的就是取内存地址

3.4.4 压入和弹出栈数据

  • 栈：后进先出原则的数据结构。可以看做一个数组，分两个方向：栈顶和栈底
    • 栈底：高地址
    • 栈顶：低地址，属于插入和删除数据的一端。%rsp保存栈顶元素的地址
  • 栈向下增长，栈顶元素的地址一般是最低的

image-20221201211136186.png

【说明】

  • 过程：
    • 假设栈已经有一些数据，栈顶是0x108
    • 此时执行pushq，则栈顶-8字节，寄存器值填入对应栈的内存
    • 此时执行popq，则栈顶+8字节，读取内存栈的内存到寄存器
  • pushq %rax：将四字节数据压栈。等价于以下两条命令：
subq $8, %rsp        //Decrement stack pointer
movq %rax, (%rsp)    //Store %rax on stack
  • popq %rdx：栈弹出四字节数据。等价于以下两条命令：
movq (%rsp), %rdx    //Read %rdx from stack
addq $8, %rsp        //Increment stack pointer

3.5 算数和逻辑操作

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3.5.1 加载有效地址leaq

leaq指令形式：leaq (%rdi, %rsi, 4), %rax

与movq区别：第一个指令看起来是内存形式，但是其实没有读取内存，而是直接将有效地址写到目的操作数

【理解】第一个指令是内存形式的话，相当于利用了Imm+R[rb]+R[ri]∗sImm+R[r_b]+R[r_i]*s 简化了指令运算

【例】书中例子，使用leaq简化函数的算数计算

long scale(long x, long y, long z) {
    long t = x + 4 * y + 12 * z;
    return t;
}

【编译】

//long scale(long x, long y, long z)
//x in %rdi, y in %rsi, z in %rdx
scale:
    leaq (%rdi,%rsi,4), %rax        //rax = x+4*y
    leaq (%rdx,%rdx,2), %rdx        //rdx = z+2*z = 3z
    leaq (%rax,%rdx,4), %rax        //rax = (x+4*y) + 4*(3z) = x+4*y+12*z
    ret

3.5.2 一元和二元操作

【例】书中例子

  • incq (%rsp)：使得栈顶元素+1，即C语言的++运算
  • subq %rax, %rdx：rdx-rax的结果赋值给rdx，即C语言的x-=y

【注】一元和二元操作的目的操作数不能为立即数（理解为立即数不能作为左值，寄存器和内存地址可以）

3.5.3 移位操作

  • 左移：算数左移（SAL）、逻辑左移（SHL），效果一样，都是右边填0
  • 右移：算数右移（SAR，填0）、逻辑右移（SHR，填符号）

【注】移位量可以是立即数，或单字节存放在寄存器%cl中

【例】书中例子，使用leaq和salq代替整数乘法。使用mulq太费时间

leaq (%rdx,%rdx,2), %rax    //rax = rdx+rdx*2 = 3*rdx
salq $4, %rax               //rax = rax<<4 = 48*rdx

3.5.5 特殊的算数操作

  • 乘法运算和除法运算：由于结果溢出，存放到两个寄存器rax和rdx中：

image-20221202062011773.png

【例】书中例子

#include <inttypes.h>
typedef unsigned __int128 uint128_t;
void store_uprod(uint128_t *dest, uint64_t x, uint64_t y) {
    *dest = x * (uint128_t)y;
}

【编译】

//void store_uprod(uint128_t *dest, uint64_t x, uint64_t y)
//dest in %rdi, x in %rsi, y in %rdx
store_uprod:
    movq %rsi, %rax
    mulq %rdx
    movq %rax, (%rdi)
    movq %rdx, 8(%rdi)
    ret
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