[Linux核心分析第一周課程] 由C語言程式的彙編表示觀察CPU寄存器與記憶體的互動

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孟寧《Linux核心分析》第一周實驗

Zou Le

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課程資訊：

《Linux核心分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

 

---------------------------實驗本文---------------------------

本實驗在實驗樓64位LIinux虛擬機器下進行。

C代碼如下:

int increment5(int x) {  return x + 5;}int solve(int x) {  return increment5(x) - 2;}int main(void) {  return solve(2017);}

 

C程式的執行邏輯為：以main函數為入口，調用solve函數，字面值2017作為solve函數的參數，在solve函數中執行調用increment5函數，increment5函數接受2017，並加上5，返回solve函數再減去2，最後回到main函數返回該值。

 

通過同目錄下-S和-m32參數得到的彙編代碼main.s，將彙編代碼中以’.’開頭的行刪除後得到的代碼如下：

 

increment5:    pushl   %ebp    movl    %esp, %ebp    movl    8(%ebp), %eax    addl    $5, %eax    popl    %ebp    retsolve:    pushl   %ebp    movl    %esp, %ebp    pushl   8(%ebp)    call    increment5    addl    $4, %esp    subl    $2, %eax    leave    retmain:    pushl   %ebp    movl    %esp, %ebp    pushl   $2017    call    solve    addl    $4, %esp    leave    ret

 

實驗如下：

 

 

 

由教材CSAPP第三章可知，記憶體為單個過程（函數）分配的那部分棧稱為棧幀。最頂端的棧幀由兩個指標界定，分別為%ebp指向棧底，%esp指向棧頂，每次push命令都會讓%esp減去4（記憶體中棧向下增長），然後在新的地址寫入值。pop則先讀出當前%esp位置的值，再將棧減去4。

 

----------------程式運行時記憶體棧的變化描述---------------

首先給出帶行號的代碼作為基準。

本彙編代碼執行的過程為：

可以觀察到每次調用函數，首先執行的命令為

    pushl   %ebp

    movl    %esp, %ebp

若記憶體中main函數入口時esp和ebp都指向第0格。則這兩行代碼所做的事情就是將第0格的資訊儲存到第1格，然後將棧的原點ebp挪到第1格，以第1格作為本過程的棧底。

第20行，所做的事情為將字面值2017寫入第2格，此時ebp指向第1格，esp指向第2格。

第21行，call命令將eip=22的命令寫入第3格，然後令eip=9。

第9行和第10行，進入solve函數，先建立棧幀：將main函數的棧底資訊（棧底=1）儲存到第4格，然後以第4格作為本過程的棧底。注意到，此時8(%ebp)指向的是第2格，即solve函數的參數。對於單參數的函數，往往進入新函數後，其參數所在的位置就是8(%ebp)，%ebp本身儲存了上一個（要返回的函數）的棧底資訊，再往前一格儲存了eip指標要返回的位置。

第11行，esp再次增加四，在第5格寫入字面值2017。

第12行，call命令將eip=13儲存到第6格，然後令eip=2。

第2行和第3行，建立棧幀，將slove函數的棧底資訊（棧底=4）儲存到第7格，然後以第7格作為本函數的棧底。8(%ebp)隨即指向第5格的值，即2017。

第4行，將第5格的值2017寫入eax寄存器中。

第5行，將eax中的值增加5。

第6行，將第7格（棧底=4）的資訊賦值給ebp，即又讓ebp指向第4格，同時esp回退1，指向第6格。

第7行，ret的語意為 popl %eip，即此時esp指向第6格，內容為eip指向13。該命令修改eip指向第13行，並使得esp回退到第5格。

第13行，將esp再回退1格，指向第4格。（此時棧頂和棧低都是第4格）。注意到，每次call命令後都會跟一個addl $4, %esp。在本例子中，均為回退掉為call函數所準備的單個函數參數。

第14行，%eax中減去2。

第15行，leave指令。leave指令的語意為先movl %ebp, %esp，然後popl %ebp。本行中%ebp儲存的資訊為main函數的棧底（第1格），合起來的作用為讓%ebp重新指向main函數的棧底1，並且esp指向第3格（eip=22）。

第16行，ret。此行令eip重新回到main函數，程式的第22行，同時esp回退到第2格。

第22行，將esp回退一格，回到第1格。

第23行，令棧底等於0，棧頂也等於0。

第24行程式結束，%eax中儲存最後的結果。

具體記憶體資訊和ebp、esp變化如下所示：

 

 

 

 

由上述過程可知，相比於進階語言如C語言，組合語言有很大一部分繁瑣的底層的函數調用，傳值的資訊。如我們所說的函數調用棧，是通過儲存上級函數繼續執行的地址和上級函數的原來的棧地址後，建立新的棧底來完成的。

通過本次實驗，我對32位彙編中常出現的8(%ebp)和leave+ret有了“感覺”，感受到了C語言相對於彙編所做的抽象工作的重要性，也對程式的機器級表示有了初步的認識。

[Linux核心分析第一周課程] 由C語言程式的彙編表示觀察CPU寄存器與記憶體的互動