1. C语言、汇编语言、机器语言
1.1 C语言代码
C语言属于高级语言，高级语言无法直接被计算机运行，需要转换为机器语言才能被计算机识别运行。
但是机器语言都是二进制数，为了方便阅读，我们通过标识符来标识机器语言，这些标识符就是汇编语言，汇编语言与机器语言是一一对应的。
下面是简单的C语言程序，就是调用add方法实现10和20的相加。
test.c
#include <stdio.h>
int add(int x,int y){
return x + y;
}
int main()
{
int res = add(10,20);
return 0;
}
1.2 汇编代码
通过如下命令可以获取该C语言程序编译后的汇编语言，如下：
gcc -S test.c -o test.s
add:
push rbp
mov rbp, rsp
mov DWORD PTR [rbp-4], edi
mov DWORD PTR [rbp-8], esi
mov edx, DWORD PTR [rbp-4]
mov eax, DWORD PTR [rbp-8]
add eax, edx
pop rbp
ret
main:
push rbp
mov rbp, rsp
sub rsp, 16
mov esi, 20
mov edi, 10
call add
mov DWORD PTR [rbp-4], eax
mov eax, 0
leave
ret
- 这里为了方便阅读，去掉了很多不必要的注释。
1.3 机器语言
该汇编语言对应的机器语言如下：
55
48 89 e5
89 7d fc
89 75 f8
8b 55 fc
8b 45 f8
01 d0
5d
c3
55
48 89 e5
48 83 ec 10
be 14 00 00 00
bf 0a 00 00 00
e8 d5 ff ff ff
89 45 fc
b8 00 00 00 00
c9
c3
- 用两位16进制数表示一个字节8位
- 机器语言与汇编语言是一一对应的
2. 汇编语言操作码
常用的汇编语言操作码：
| 操作码 | 操作数 | 功能 |
|---|---|---|
| mov | A,B | 把B的值赋给A |
| add | A,B | 把A和B的值相加，并将结果赋给A |
| push | A | 把A的值存储在栈中 |
| pop | A | 从栈中读取出值，并将其赋给A |
| call | A | 调用函数A |
| ret | 无 | 将处理返回到函数的调用源 |
程序是指令与数据的集合，程序是在内存中被CPU解析执行的。
CPU操作的对象就是寄存器。
3. 寄存器类型
| 寄存器 | 全称 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|---|
| eax | Accumulator Register | 累加寄存器 | 运算 |
| ebx | Base Register | 基址寄存器 | 存储内存地址 |
| ecx | Counter Register | 计数寄存器 | 计算循环次数 |
| esi | Source Index Register | 源基址寄存器 | 存储数据发送源的内存地址 |
| edi | Destination Index Register | 目标基址寄存器 | 存储数据发送目标的内存地址 |
| rbp | Register Base Pointer | 基址指针寄存器 | 存储数据存储领域基点的内存地址 |
| rsp | Register Stack Pointer | 栈指针寄存器 | 存储栈中最高位数据的内存地址 |
| ebp | Extended Base Pointer Register | 扩展基址指针寄存器 | 存储数据存储领域基点的内存地址 |
| esp | Extended Stack Pointer Register | 扩展栈指针寄存器 | 存储栈中最高位数据的内存地址 |
4. 汇编代码分析
4.1 一行C代码对应多行汇编代码
- 看颜色对应。
先整体看一下汇编代码，有一个大概的印象。
add: ; 定义名为add的函数
push rbp ; 保存rbp寄存器的值到栈中
mov rbp, rsp ; 将rbp设置为当前栈顶指针rsp的值
mov DWORD PTR [rbp-4], edi ; 将第一个参数edi的值存储到rbp-4位置的4字节内存中
mov DWORD PTR [rbp-8], esi ; 将第二个参数esi的值存储到rbp-8位置的4字节内存中
mov edx, DWORD PTR [rbp-4] ; 从rbp-4位置读取4字节内存中的值到edx寄存器
mov eax, DWORD PTR [rbp-8] ; 从rbp-8位置读取4字节内存中的值到eax寄存器
add eax, edx ; 将eax和edx的值相加，结果存储在eax寄存器中
pop rbp ; 恢复之前保存的rbp寄存器的值
ret ; 返回eax寄存器的值
main: ; 定义名为main的函数
push rbp ; 保存rbp寄存器的值到栈中
mov rbp, rsp ; 将rbp设置为当前栈顶指针rsp的值
sub rsp, 16 ; 在栈顶位置向下移动16字节的空间
mov esi, 20 ; 将20赋值给esi寄存器，作为第二个参数
mov edi, 10 ; 将10赋值给edi寄存器，作为第一个参数
call add ; 调用add函数
mov DWORD PTR [rbp-4], eax ; 将add函数返回的值存储到rbp-4位置的4字节内存中
mov eax, 0 ; 将0赋值给eax寄存器，作为返回值
leave ; 恢复栈顶指针rsp，等价于mov rsp, rbp; pop rbp
ret ; 返回eax寄存器的值
- 可以看到指令都是对寄存器的操作。
4.2 栈内存
程序在运行时会在内存分配一个称为栈的内存空间。栈的特性是后进先出（Last In First Out，LIFO）。
栈像堆碟子一样，一个个堆在上面，取得时候从上面一个个取。
4.3 栈帧分配
在函数调用过程中，栈内存中会产生一个栈帧，栈帧中存储了函数调用所需要的信息，包括函数参数、局部变量、返回地址以及其他的上下文信息等。当函数调用结束后，这个栈帧会被删除，并释放在栈内存上的相应空间。
主函数 main 和 add 函数都使用了栈帧分配。让我们来计算一下各个栈帧分配的大小：
在 main 函数中，分配了一个栈帧，具体步骤如下：
push rbp将调用者的基址指针rbp入栈，占用 8 字节。mov rbp, rsp将栈顶指针rsp的值赋给rbp，相当于rbp指向当前栈帧的基址，不占用额外的栈空间。sub rsp, 16分配 16 字节的空间给当前栈帧的局部变量和参数，预计 4 字节用于保存add函数的返回值eax，因此为局部变量留出 12 字节的空间。- 其他指令的栈操作没有涉及栈帧的空间分配，不占用额外的栈空间。
综上，main 函数的栈帧分配大小为 8 字节（push rbp） + 16 字节（sub rsp, 16）= 24 字节。
在 add 函数中，也分配了一个栈帧，具体步骤如下：
push rbp将调用者main函数的基址指针rbp入栈，占用 8 字节。mov rbp, rsp将栈顶指针rsp的值赋给rbp，相当于rbp指向当前栈帧的基址，不占用额外的栈空间。mov DWORD PTR [rbp-4], edi将main函数的第一个参数edi存储在当前栈帧的位置[rbp-4]，占用 4 字节。mov DWORD PTR [rbp-8], esi将main函数的第二个参数esi存储在当前栈帧的位置[rbp-8]，占用 4 字节。- 其他指令的栈操作没有涉及栈帧的空间分配，不占用额外的栈空间。
综上，add 函数的栈帧分配大小为 8 字节（push rbp）+ 4 字节（mov DWORD PTR [rbp-4], edi）+ 4 字节（mov DWORD PTR [rbp-8], esi）= 16 字节。
4.4 汇编代码分析
-
main函数首先会将当前的基址指针rbp压入栈中，并将rbp的值存储到栈顶，即执行push rbp和mov rbp, rsp。 -
接着，
main函数会在当前栈帧的栈顶位置分配一个大小为 16 字节的区域，即执行sub rsp, 16。 -
然后，
main函数将第一个参数 20 和第二个参数 10 分别存储到esi和edi中。 -
main函数紧接着调用了add函数，即执行call add。在执行call指令时，会将当前指令所在的下一条指令的地址（即add函数的入口地址）推入栈中，同时将rsp的值减去 8，以便在调用子例程时建立新的栈帧。 -
当
add函数执行时，会在栈顶再建立一个新的栈帧。首先，add函数会将当前的基址指针rbp压入栈中，并将其值存储在栈顶，即执行push rbp和mov rbp, rsp。 -
接着，
add函数会将第一个参数edi和第二个参数esi分别存储到[rbp-4]和[rbp-8]，即执行mov DWORD PTR [rbp-4], edi和mov DWORD PTR [rbp-8], esi。 -
add函数接下来将第二个参数esi和第一个参数edi分别移动到寄存器eax和edx中。 -
然后，
add函数执行add eax, edx，将这两个数相加，并将结果存储到寄存器eax中。 -
接下来，
add函数执行pop rbp，将当前的基址指针弹出栈中，并将其值存储到rbp中。同时，add函数通过执行ret返回到call指令之后的下一条指令执行，并且将结果存储到寄存器eax中。 -
main函数会将add函数的返回值从寄存器eax复制到[rbp-4]中，即执行mov DWORD PTR [rbp-4], eax。 -
然后，
main函数将eax寄存器复位为 0，以使其成为函数的返回值，即执行mov eax, 0。 -
main函数接着执行leave，该指令等价于mov rsp, rbp，然后pop rbp，用于恢复栈帧的状态。 -
最后，
main函数执行ret，使程序从main函数返回到调用该函数的地方，并且将返回值存储在寄存器eax中。
4.5 通过寄存器和栈来传递参数
我们再来分析一下上述汇编代码，可以看出函数调用使用寄存器和栈来传递参数。具体来说：
-
在
main函数中，参数的值被存储在esi寄存器和edi寄存器中。mov esi, 20将整型值20存储在esi寄存器中，mov edi, 10将整型值10存储在edi寄存器中。 -
接着在
main函数中，通过调用call add跳转到add函数，并将控制权转移到add函数中执行。 -
在
add函数中，首先使用push rbp将调用者的基址指针rbp入栈，保存add函数之前的基址。然后通过mov DWORD PTR [rbp-4], edi将第一个参数10存储到[rbp-4]的位置上，使用mov DWORD PTR [rbp-8], esi将第二个参数20存储到[rbp-8]的位置上。这里通过将参数存储到当前函数的栈帧中，实现了参数的传递。 -
在
add函数中，通过mov edx, DWORD PTR [rbp-4]和mov eax, DWORD PTR [rbp-8]读取栈帧中存储的两个参数的值，分别赋值给edx和eax寄存器。 -
接下来，通过
add eax, edx指令将eax和edx中的值相加，计算结果存储在eax寄存器中，即作为函数的返回值。 -
最后，在
add函数中使用pop rbp将之前入栈的基址指针rbp出栈，以恢复调用方的栈帧。通过ret指令返回到调用add函数的位置。 -
控制权回到
main函数后，通过mov DWORD PTR [rbp-4], eax将add函数的返回值存储到[rbp-4]的位置上。使用mov eax, 0将eax寄存器置为 0，再通过leave指令清除当前栈帧并恢复调用方的栈帧。最后使用ret返回到调用方。
综上所述，函数参数通过寄存器 esi 和 edi 来传递，并且通过将参数存储在当前函数栈帧中的方式，在被调用函数中恢复参数值的情况下进行处理。
5. 总结
本文通过一个简单的C语言代码示例，详细阐述了汇编代码的流程和相关知识点。
具体地，我们通过分析这个C语言代码，生动呈现了对应的汇编代码。在汇编代码中，我们讲解了寄存器、汇编指令操作码、内存地址等一系列关键概念。
此外，我们还深入探究了函数调用的原理，包括栈内存和栈帧的概念、栈帧相关的数据（如返回地址、函数参数、局部变量）等。通过了解这些内容，读者可以更充分地了解程序在运行时是如何存储和处理数据的，如何通过不断的函数调用来构建整个程序的流程等。
关注微信公众号：“小虎哥的技术博客”，让我们一起成为更优秀的程序员❤️！
文章和代码仓库：
gitee(推荐)：gitee.com/cunzaizhe/x…
github：github.com/tigerleeli/…
