彙編程式碼的簡單分析

阿新 • • 發佈：2019-02-13

內容說明

本次的內容，是一次 MOOC 課程的作業。具體的，是在 Linux 下對一段簡單的 C 程式碼生成的彙編程式碼進行分析，進而瞭解計算機、CPU 的工作機制。

作業宣告

     qianyizhou17 + 原創作品轉載請註明出處 + 《Linux 核心分析》MOOC 課程 
     http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

實驗準備
- 環境
  Linux
  需要介紹一下的是本次 MOOC 提供的實驗樓的環境，可以直接訪問 Linux 的環境，一系列操作也十分簡單，十分贊！
- 原始碼
  main.c

int func_a(int x)
{
  return 
 x + 1000;
}

int func_b(int x)
{
  return func_a(x);
}

int main(void)
{
  return func_b(8) + 1;
}

生成彙編指令

$ gcc –S –o main.s main.c -m32

生成如下

    .file   "main.c"
    .text
    .globl  func_a
    .type   func_a, @function
func_a:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8 

    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    movl    8(%ebp), %eax
    addl    $1000, %eax
    popl    %ebp
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   func_a, .-func_a
    .globl  func_b
    .type   func_b, @function
func_b:
.LFB1: 

    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    subl    $4, %esp
    movl    8(%ebp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    func_a
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1:
    .size   func_b, .-func_b
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB2:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    subl    $4, %esp
    movl    $8, (%esp)
    call    func_b
    addl    $1, %eax
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE2:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

這裡寫圖片描述
其中以 “.” 開頭的為輔助資訊，在分析程式碼時可以刪除，整理後的彙編資訊如下：

func_a:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    movl    8(%ebp), %eax
    addl    $1000, %eax
    popl    %ebp
    ret
func_b:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $4, %esp
    movl    8(%ebp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    func_a
    leave
    ret
main:
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $4, %esp
    movl    $8, (%esp)
    call    func_b
    addl    $1, %eax
    leave
    ret

程式碼分析前提
- 什麼是棧
  在我的理解，棧是一片記憶體，用於暫時快取程式的指令。那麼為何不使用普通的連續結構，而使用 “棧” 結構？
  利用棧的特性（後入先出），與函式呼叫的性質一致（最近呼叫的最先返回）。
  棧底是高地址：即，逐漸壓棧，會使得訪問的棧地址逐漸變小，可能發生錯誤——棧溢位。
  我們使用 ebp 來標識棧底，esp 標識當前的棧指標。
- 必要的彙編說明
  - push
    pushl X:
    subl $4, %esp
    movl X, (%esp)
  - pop
    popl Y:
    movl (%esp), Y
    addl %4, %esp
  - call
    call ADDR
    pushl %eip(*)
    movl ADDR, %eip(*)
  - enter
    pushl %ebp
    movl %esp, %ebp
  - leave
    movl %ebp, %esp
    popl %ebp
  - ret
    popl %eip(*)
- 必要的暫存器說明
  - ebp
    標識棧底
  - esp
    標識當前的棧指標
  - eip
    指令暫存器：儲存當前執行的指令地址
  - eax
    一般的，預設用於儲存函式返回值
程式碼分析
首先程式碼從 17 main 開始執行

執行 18、19 行，即執行 call 指令，儲存上一次的棧資訊：將上次的棧底入棧，並將棧底、棧指標重新指向下一地址，完成當前函式棧的初始化：
執行前

         |         | 
ebp ->    --------- 5000
.        |         |
.
.
         |         | 
esp ->    --------- 4000

執行後

         |         | 
          --------- 5000
.        |         |
.
.
         |         | 
          --------- 4000
         | ebp 5000| 
esp/ebp-> --------- 3996

執行 20、21 行，將立即數 8 儲存到 esp 所指向的空間中

         |         | 
          --------- 5000
.        |         |
.
.
         |         | 
          --------- 4000
         | ebp 5000| 
ebp->     --------- 3996
         |    8    | 
esp->     --------- 3992

執行 22 行：call func_b


         |         | 
          --------- 5000
.        |         |
.
.
         |         | 
          --------- 4000
         | ebp 5000| 
ebp->     --------- 3996
         |    8    | 
          --------- 3992
         | eip 23  | 
esp->     --------- 3988

同時 eip 指向了 func_b 的地址：8。繼續執行時，將從 func_b 的下一個地址 9 開始執行。
執行第 9、10 行後：

         |         | 
          --------- 5000
.        |         |
.
.
         |         | 
          --------- 4000
         | ebp 5000|  
          --------- 3996
         |    8    | 
          --------- 3992
         | eip 23  | 
          --------- 3988
         | ebp 3996| 
ebp/esp-> --------- 3984

以此類推，呼叫 call func_a，執行 func_a，第 5 行 addl $1000, %eax 執行後，eax 中儲存的值變為 1008。
執行 6 行，popl %ebp
執行前

eip      1
eax      1008
         |         | 
          --------- 5000
.        |         |
.
.
         |         | 
          --------- 4000
         | ebp 5000|  
          --------- 3996
         |    8    | 
          --------- 3992
         | eip 23  | 
          --------- 3988
         | ebp 3996| 
          --------- 3984
         |    8    | 
          --------- 3980
         | eip 15  | 
          --------- 3976
         | ebp 3984| 
ebp/esp-> --------- 3972

執行 popl %ebp 後

eip      1              
eax      1008           
         |         |    
          --------- 5000
.        |         |    
.                       
.                       
         |         |    
          --------- 4000
         | ebp 5000|    
          --------- 3996
         |    8    |    
          --------- 3992
         | eip 23  |    
          --------- 3988
         | ebp 3996|    
ebp    -> --------- 3984
         |    8    |    
          --------- 3980
         | eip 15  |    
esp    -> --------- 3976
         | ebp 3984|    
          --------- 3972

執行 ret 之後

eip      15 
eax      1008
         |         | 
          --------- 5000
.        |         |
.
.
         |         | 
          --------- 4000
         | ebp 5000|  
          --------- 3996
         |    8    | 
          --------- 3992
         | eip 23  | 
          --------- 3988
         | ebp 3996| 
ebp    -> --------- 3984
         |    8    | 
esp    -> --------- 3980
         | eip 15  | 
          --------- 3976
         | ebp 3984| 
          --------- 3972

注意，此時 eip 的值為 15，因此繼續執行的指令為 func_b 的 leave 指令
執行後

eip      15             
eax      1008           
         |         |    
          --------- 5000
.        |         |    
.                       
.                       
         |         |    
          --------- 4000
         | ebp 5000|    
ebp    -> --------- 3996
         |    8    |    
          --------- 3992
         | eip 23  |    
esp    -> --------- 3988
         | ebp 3996|    
          --------- 3984
         |    8    |    
          --------- 3980
         | eip 15  |    
          --------- 3976
         | ebp 3984|    
          --------- 3972

繼續執行 ret 後

eip      23             
eax      1008           
         |         |    
          --------- 5000
.        |         |    
.                       
.                       
         |         |    
          --------- 4000
         | ebp 5000|    
ebp    -> --------- 3996
         |    8    |    
esp    -> --------- 3992
         | eip 23  |    
          --------- 3988
         | ebp 3996|    
          --------- 3984
         |    8    |    
          --------- 3980
         | eip 15  |    
          --------- 3976
         | ebp 3984|    
          --------- 3972

addl $1, %eax 之後，eax 中儲存 1009。

繼續執行 leave，將當前的棧資訊恢復。

before leave                    after leave, before ret 
eip      23                     eip      23             
eax      1009                   eax      1009           
         |         |                     |         |    
          --------- 5000        ebp    -> --------- 5000
.        |         |            .        |         |    
.                               .                       
.                               .                       
         |         |                     |         |    
          --------- 4000        esp    -> --------- 4000
         | ebp 5000|                     | ebp 5000|    
ebp    -> --------- 3996                  --------- 3996
         |    8    |                     |    8    |    
esp    -> --------- 3992                  --------- 3992
         | eip 23  |                     | eip 23  |    
          --------- 3988                  --------- 3988
         | ebp 3996|                     | ebp 3996|    
          --------- 3984                  --------- 3984
         |    8    |                     |    8    |    
          --------- 3980                  --------- 3980
         | eip 15  |                     | eip 15  |    
          --------- 3976                  --------- 3976
         | ebp 3984|                     | ebp 3984|    
          --------- 3972                  --------- 3972

呼叫 ret，恢復 eip：將 esp 所指向的指令值寫入 eip，main 函式結束。

總結
- 進入函式時，一般首先pushl %ebp; movl %esp, %ebp來進行棧資訊的儲存，包括 1）將上次的棧底資訊壓入棧； 2）將棧底、棧指標重置為下一個棧地址。
- 呼叫函式時，將 eip 的當前資訊壓入棧中，並更新 eip 使指向新的指令。
- 函式返回的過程，即是從棧中讀取 eip、ebp 的舊有資訊並恢復上一個函式棧的過程
- 其中，計算機可以使用機械的邏輯（依據 eip 讀取下一條指令，並逐條eip所指向指令即可，周而復始），而通過精緻的資料結構（棧）和基礎的CPU指令，便能夠實現複雜的邏輯！
- 函式執行、並呼叫新的函式時，其棧資訊基本如下：

 --------- 4000
| ebp DATA|    
 --------- XXXX
|         |    
|         |
|         |
 --------- XXXX
| eip DATA|    
 --------- 39XX

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