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程序的机器级表示（一）

1 由程序引入的基本概述

程序main.c如下：

#include <stdio.h>
void mulstore(long x,long y,long *);
int main() {
	long d;
    multstore(2，3，&d) ;
	printf(” 2∗ 3 −−>%1d \n”，d);
    return 0;
}
long mult2(long a，long b){
	png s = a* b;
    return s;
}

程序mstore.c如下

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

对mstore.c使用linux> gcc -Og -S mstore.c以下命令生成汇编文件（mstore.s）如下：

    .file "mstore.c"
    .text
    .globl mulstore
    .type mulstore, @function
mulstrore:
.LFBO:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbx
	movq	%rdx, %rbx
	call	mult2
	movq	%rax, (%rbx)
	popq	%rbx
	ret
	...
	

. 开头的行是指导汇编器和链接器的伪指令，将其忽略掉，只看与C源文件对应部分如下：

mulstrore:
	pushq	%rbx
	movq	%rdx, %rbx
	call	mult2
	movq	%rax, (%rbx)
	popq	%rbx
	ret

pushq 指令的意思是将寄存器rbx的值压入程序栈进行保存。

popq 指令意思是回复寄存器rbx的内容

2 为什么程序执行前先要pshq保存寄存器rbx的值呢？

2.1 寄存器

在Intel x86-64处理器中包含16个通用目的的寄存器，这些寄存器用来存放整数数据和指针。这些寄存器都是以%r开头

%rax	%rbx	%rcx	%rdx

%rsi	%rdi	%rbp	%rsp

%r8		%r9		%r10	%r11

%12		%r13	%r14	%r15

64位寄存器概览：

最早8086处理器只有8个16位的寄存器（即下图中0-15位），当从16位扩展到32位时，寄存器也扩展到32位（即下图中0-31位），目前寄存器已经扩展到了64位。

例如：变量a是long类型，需占用8个bytes，那么寄存器rax全部用来保存a；如果a是int类型，需占用4个bytes，那么就用eax保存，以此类推。

寄存器角色分配：

2.2 保存器

以函数A、B为例：函数A调用函数B，函数A称为调用者，函数B称为被调用者

A，B的汇编代码如下：

fnnc_A:
...
movq	$123,	%rbx
call	func_B
addq	%rbx,	%rax
...
ret

fnnc_B:
...
addq	%456,	%rbx
...
ret

由于A调用了B，寄存器rbx在函数B中被修改，但逻辑上寄存器rbx在调用函数B前后应该保持一致，因此保持rbx不变的两种策略如下：

• 调用者保存(caller saved)：函数A在调用函数B之前，提前保存rbx的内容，B被调用执行完后，再恢复rbx的内容。

• 被调用者保存(callee saved)：函数B在使用rbx之前先保存rbx的内容，当B返回之前，先恢复rbx的内容。

根据寄存器的不同选择具体使用哪一种保存策略：

• Callee saved: %rbx, %rbp, %r12, %r13, %r14, %r15

• Caller saved: %r10, %r11, %rax, %rdi, %rsi, %rdx, %rdx, %r8, %r9

通过上面这段例子就回答了标题2的问题

再看回mulstore.s

mulstrore:
	pushq	%rbx
	movq	%rdx, %rbx
	call	mult2
	movq	%rax, (%rbx)
	popq	%rbx
	ret

因为rbx是被调用者保存的寄存器，因此 mostore.s中 的pushq指令就是在 mulstore 函数使用rbx之前保存rbx的内容，popq就是在函数返回之前，恢复rbx的内容。

3 继续阅读mulstore.s的汇编代码

C代码：

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

汇编代码：

mulstrore:
	pushq	%rbx
	movq	%rdx, %rbx
	call	mult2
	movq	%rax, (%rbx)
	popq	%rbx
	ret

根据寄存器用法定义，函数mulstore三个参数x、y、dest分别保存在寄存器rdi、rsi、rdx中（x$\to$%rdi，y$\to$%rsi，dest$\to$%rdx）。

movq %rdx, %rbx：是将寄存器rbx的内容复制到rdx，这条指令执行完毕后，寄存器rbx与rdx内容一致，都是dest指针指向的内存地址。这条指令中q表示数据的大小。

call mult2：指令对应C代码中的mult2函数调用，该函数的返回值即x*y保存在寄存器rax中。

movq %rax, (%rbx)：将寄存器rax的值送到内存中，内存的地址就存放在rbx中。

3.1 汇编码后缀

Intel用字（word）表示16位的数据类型，因此32位数据类型称为双字，64位称为四字。C语言基本类型对应汇编码后缀如下：

C声明	Intel数据类型	汇编码后缀	大小（byte）
char	Byte	b	1
short	Word	w	2
int	Double word	l	4
long	Quad word	q	8
char *	Quad word	q	8
float	Single precision	s	4
double	Double precision	l	8

例如：movb是move byte的缩写，表示传送字节；movw是move word的缩写。以此类推。

4 指令

大多数指令包含两部分：操作码（决定了CPU执行操作的类型）和操作数（有一个或多个）。ret返回指令没有操作数。

操作码		  操作数
movq		(%rdi), %rax
addq		$8, %rsx
subq		%rdi, %rax
xorq		%rsi, %rdi
ret

4.0 操作数可以分为三类：

• 立即数（Immediate）:在 AT&T 格式的汇编中，立即数以 $ 符号开头，后跟一个 C 定义的整数。
• 寄存器（Register）:操作数为64位寄存器的情况，向下兼容32、16、8位的寄存器。
• 内存引用（Memory Reference）：寄存器带小括号。

4.0.1 内存引用

内存引用用$M_b[addr]$（addr表示有效地址，下标b可以省略）表示，常用的内存引用包含四个部分：

• 立即数（Immediate）：$Imm$

• 基址寄存器（Base Register）：$r_b$

• 变址寄存器（Index Register）：$r_i$

• 比例因子（Scale Factor）：$s$，取值必须是1、2、4、8。例如char就是1，int就是4，double就是8。

有效地址是通过立即数与基址寄存器的值相加，再加上变址寄存器与比例因子的乘积。如下：

$Imm(r_b,r_i,s)\to Imm+R[r_b]+R[r_i]\times s$

内存引用的各种形式，都是以上述公式进行基准的变种，见下表：

4.1 mov指令

mov类指令含有两个操作数，一个为源操作数，另一个为目的操作数。

• 源操作数：可以是一个立即数、一个寄存器或内存引用。

• 目的操作数：用来存放源操作数的内容，所以目的操作数要么是寄存器，要么是内存引用，不能是一个立即数。

  例如：mov memory, register：将内存的值写入寄存器。

注意：

1. x86-64 处理器有一条限制，即mov指令的源操作数和目的操作数不能都是内存地址，所以当需要将一个数从内存一个位置复制到另一个位置时，就需要用两条mov指令。首先将内存源位置数值加载到寄存器，再将寄存器的值写入内存目的位置。
2. mov指令的后缀与寄存器的大小一定是匹配的。
3. 当movq指令的源操作是立即数时，该立即数只能是32的补码表示，对该数符号位扩展后，将得到64位数传送到目的位置。
4. movabsq：该指令的源操作数可以是任意64位立即数，但目的操作数只能时寄存器。

mov指令使用示例（源操作数与目的操作数大小一致的情况）：

1. movabsq $0x0011223344556677, %rax：将一个64位立即数复制到寄存器rax。寄存器rax内保存的数值如图：

2. movb $-1, %al：将-1复制到寄存器al，寄存器al长度为8（见2.1中图），与movb指令后缀一致。此时寄存器rax低8位发生改变：

3. movw $-1, %ax：将立即数-1复制到寄存器ax。此时寄存器低16位发生了改变：

4. movl $-1, %eax：将立即数-1复制到寄存器eax。此时不仅寄存器低32位发生变化，高32位也发生了变化：

当源操作数的数位小于目的操作数，需要对目的操作数剩余的字节进行零扩展或符号位扩展。

• 零扩展：movzbw、movzbl、movzwl、movzbq、movzwq

  以movzbw为例：z表示0，b为源操作数的大小即1byte，w为目的操作数的大小即2bytes。

  零扩展没有movlq，因为movlq可以用movl代替。

• 符号位扩展：movsbw、movsbl、movswl、movsbq、movswq、movslq、cltq

  以movsbw为例：s为sign的缩写，b、w同上。

  cltq等价于movslq %eax, %rax

5 数据传输

例如有如下C代码：

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

对应汇编代码(其中根据惯例，C中*xp存在寄存器%rdi中，y存在寄存器%rsi中)：

exchange:
movq	(%rdi), %rax
movq	%rsi, (%rdi)
ret

movq (%rdi), %rax：读取内存中值（*xp指向的内存位置）到寄存器rax（因为返回值是x，所以直接将x放到rax），对应long x = *xp;。

movq %rsi, (%rdi)：将rsi中的值写到rsi（*xp），对应*xp = y;

通过这个例子可知：C语言指针即为内存中地址。

6 程序栈

例如保存寄存器rax内数据0x123：

6.1 压栈

可以使用``pushq`指令把数据压入栈内，可分为两步：

1. 假设未压栈前指针rsp地址为0x108：

   压栈第一步就是寄存器rsp的值减8，此时rsp的值为0x100（对应指令subq $8, %rsp）。

   这里为什么是减呢？因为栈底为高地址，栈顶为低地址，所以压栈地址会降低。

2. 第二步就是将保存的数据复制到新的栈顶地址，这时0x100处就保存了rax的值（对应指令movq %rax, (%rsp)）。

   因此pushq等效于步骤1、2的两条指令

6.2 弹栈

1. 首先从栈顶位置读出数据，复制到寄存器rbx，此时指针rsp的地址还是0x100

2. 然后将栈顶指针加8，地址变为0x108。这时0x100地址保存的数据还没被覆盖，下次push操作时才会被覆盖。

   popq操作也等效于movq和addq