macOS 汇编指南

现在很多汇编的学习资料、途径和工具都是关于 Windows 下的，所以这里来介绍一下 macOS 上学习使用汇编需要的资料和工具。为什么需要学习汇编（使用途径）汇编是计算机的“魔法”，虽然做个只会高级语言的“战士”也可以，但是当给“武器”附魔之后，战斗力也会大大增加（当然也有“玩火自焚”的）。在现代，学习汇编之后的使用途径有几种：直接用汇编指令写程序的代码，然后使用汇编器（Assembler）汇编

zhonguncle

7189人浏览 · 2022-04-15 00:33:24

zhonguncle · 2022-04-15 00:33:24 发布

现在很多汇编的学习资料、途径和工具都是关于 Windows 下的，所以这里来介绍一下 macOS 上学习使用汇编需要的资料和工具。

本文持续更新中，也是作为个人笔记来使用的。

为什么需要学习汇编（使用途径）

汇编是计算机的“魔法”，虽然做个只会高级语言的“战士”也可以，但是当给“武器”附魔之后，战斗力也会大大增加（当然也有“玩火自焚”的）。

在现代，学习汇编之后的使用途径有几种：

直接用汇编指令写程序的代码，然后使用汇编器（Assembler）汇编成程序（这种学习的过程中可能使用比较多，在实际情况下很少用，因为太复杂了）。
用在 C 语言代码中，提高性能和速度，或者实现一些特别的功能。例如 UNIX 和 Linux 中的汇编代码就是为了提高运行速度，不然完全可以用纯 C 语言写出来；还有苹果不让开发者 iOS 平台获取 CPU 频率之后，一些开发者通过在 Objective-C 代码中使用汇编指令来推测频率。

注1：不过苹果后来加了转换，让推测的结果很不准，让这种 app 彻底完犊子了。
注2：Objective-C 是 C 语言的一个超集，就像 C++ 也是 C 语言的一个超集，它们都属于 C 语言家族。在苹果推出 Swift 之前，苹果平台的开发全靠 Objective-C。

能看懂反编译出来的内容（这种一般常规程序员用不到）。

不过在现在，汇编并不是编程的门槛，而是通往高手的必修课。但是新手还是建议先学会 C 语言再接触汇编（这里的学会是指能看明白各种结构即可）。

汇编器以及实用工具介绍

汇编器（Assembler）和编译器（Complier）是不同的。如果搞不明白的话，可以简单理解成汇编器是将汇编指令转换成程序的；编译器是将高级语言的代码（例如 C/C++、Java 等的代码）转换成程序的。

这里介绍一下汇编器以及可能用得到的实用工具们（包括编辑器）。

as：

Mac OS X 的汇编器，需要在“终端”中使用，类似于 Windows 的 masm。支持 Intel 处理器的汇编以及 Power PC 处理器的汇编。放在/usr/bin/as目录下。在《Mac OS X Assembler Guide》中有使用方法的介绍。

ld：

连接器。

clang:

clang 有个状态就是汇编器，而且可以 C 语言等代码预处理成汇编语言代码，详细操作请看这里《clang 如何产生汇编代码文件》。使用 clang 可能对你更方便，不过需要自己判断了。

gcc:

gcc 和 clang具体区别这里不赘述，gcc 有个选项：-nostartfiles，使用这个命令可以直接忽略被链接的标准库文件和初始化行为。这是因为有时候会出现不需要连接 C 标准库，直接汇编即可，那么就需要这样。最后会有相关演示。

size:

输出对象文件的各部分大小，如下：

请添加图片描述

otool：

查看某部分大小和内容，类似 Windows 中的 debug.exe。例如查看__TEXT,__text部分的内容：
请添加图片描述
我们也可以使用otool来查看其他部分的内容，用以下命令格式：

$ otool -v -s __TEXT __cstring a.out
a.out:
Contents of (__TEXT,__cstring) section
0000000000000025  hello world!\n

clang 或 gcc：

Mac OS X 上，默认的 C、C++、Objective-C 编译器。如果在“终端”里使用命令cc，那么会调用 clang，而不是 gcc。

Xcode：

苹果自己的 IDE，有图形界面，也有一些终端命令行工具，可以编写 C、C++、Objective-C 和 Swift 语言的程序。可以利用 Xcode 来编写含有汇编代码的程序和 App。
请添加图片描述

语法区别

很多人可能对汇编有所了解，但可能都是基于 Windows 的。但是在 Mac OS X 或者 C 语言（这里 C 语言编译器是 clang）内嵌汇编语言的语法中是不一样的。前者是 Intel 语法，后者是 AT&T 语法。这里来说一下一些重要的不同之处：

1. 寄存器写法

事先声明一下，如果不是用as汇编，而是在 C 语言中或者其他情况下使用 clang 或者 gcc 来处理，那么不用管这条内容。
在 Windows 和 C 的汇编语法中，寄存器的名称是直接写的，例如mov ax,2。但是在as中，为了不与标识符（identifier，其实就是常说的变量）搞混，需要在寄存器前加上百分号%，例如mov %ax,2。并且所有的寄存器都得写成小写字母，不能像 Windows 或 C 里一样不分大小写。

十六进制写法

在 Windows 中，十六进制被写成以H或h结尾的，例如5c0dH。但是在 Mac OS X 中，需要写成0x开头的，例如0x1234。而在 C 语言中，二者皆可。

来用汇编写一个 Hello World 吧！

写代码

最后会给出完整代码，现在先分步讲解。

首先新建一个名为helloworld.s的文件，汇编代码文件的后缀一般是.asm或者.s。这时候就可以来写第一部分的内容啦。
先是需要指明第一部分是——可执行命令：

.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions

然后指明创建的目标平台：

.build_version macos, 12, 0	sdk_version 12, 1

然后新建一个外部符号名称_main用作程序的入口，就像 C 语言程序必须要有main()函数一样。注意这里的下划线不可以省略。

.globl	_main                           ## -- Begin function main

然后使用对齐（align）命令将位置计数器移到下一个边界4, 0x90（一般来说都是地址）。

.p2align	4, 0x90

然后我们就可以开始写_main部分包含的内容啦，也就是开始写main()函数了：

_main:                                  ## @main
	.cfi_startproc					 ##表示函数的开头。会初始化一些内部的数据结构，发出架构依赖的初始CFI 指令
## %bb.0:
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset %rbp, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register %rbp
	subq	$16, %rsp
	movl	$0, -4(%rbp)
	leaq	L_.str(%rip), %rdi
	movb	$0, %al
	callq	_printf
	xorl	%eax, %eax
	addq	$16, %rsp
	popq	%rbp
	retq
	.cfi_endproc				##结束函数

这部分包含一些 cfi 相关的指令，可以在这里看到：https://web.mit.edu/rhel-doc/3/rhel-as-en-3/cfi-directives.html
此外，CFA是规范框架地址（Canonical Frame Address），相关资料可以看这里：
https://www.keil.com/support/man/docs/armasm/armasm_dom1361290010153.htm

接下来开始第二部分——可执行命令包含的字符串：

.section	__TEXT,__cstring,cstring_literals
L_.str:                                 ## @.str
	.asciz	"hello world!\n"

这里就是准备输出的字符串：hello world!\n了。
如果这里使用的是.ascii命令，那么这行应该改成.asciz "hello world!\n\0"。
因为.asciz自动补上了字符串末尾的\0，如果被用于 C 程序的话，就使用这个。

最后我们可以加上这么一行：

.subsections_via_symbols

这行命令会告诉静态连接编辑器，这部分对象文件（object file）能被分割成几块。不过这里用不用无所谓，不影响结果。但是出于严谨可以加上。

完整代码如下：

	.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.build_version macos, 12, 0	sdk_version 12, 1
	.globl	_main                           ## -- Begin function main
	.p2align	4, 0x90
_main:                                  ## @main
    .cfi_startproc                     ## 表示函数的开头。会初始化一些内部的数据结构，发出架构依赖的初始CFI 指令
## %bb.0:
    pushq    %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset %rbp, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register %rbp
    subq    $16, %rsp
    movl    $0, -4(%rbp)
    leaq    L_.str(%rip), %rdi
    movb    $0, %al
    callq    _printf
    xorl    %eax, %eax
    addq    $16, %rsp
    popq    %rbp
    retq
    .cfi_endproc                ## 结束函数
	.section	__TEXT,__cstring,cstring_literals
L_.str:                                 ## @.str
	.asciz	"hello world!\n"

.subsections_via_symbols

汇编成可执行文件

在 Windows 中，现在主流的可执行文件的格式是 PE（Portable Executable File Format），而其中的“Executable”缩写就是很多人熟知的 EXE。在 macOS 中，可执行文件被称为Mach-O executable file。
如果使用file命令来查看一个可执行文件的话就可以看到，这里我们查看 Xcode：

# 可执行文件
$ file /Applications/Xcode.app/Contents/MacOS/Xcode 
Xcode: Mach-O universal binary with 2 architectures: [x86_64:Mach-O 64-bit executable x86_64] [arm64:Mach-O 64-bit executable arm64]
Xcode (for architecture x86_64):	Mach-O 64-bit executable x86_64
Xcode (for architecture arm64):	Mach-O 64-bit executable arm64

所以最终目标是要把hello.s这个汇编文件，“变”成一个Mach-O executable file。

这里有两种方法：

方法 1

由于这个程序十分简单，也没有链接特殊的库，可以直接使用以下命令来：

$ gcc -nostartfiles helloworld.s
$ chmod 755 a.out
$ file a.out 
a.out: Mach-O 64-bit executable x86_64

这时候可以看到，a.out便是需要的Mach-O executable file。
运行一下看看：

$ ./a.out 
hello world!

非常不错。

方法 2

这种方法是常规做法，首先使用as来汇编代码，并且修改权限：

$ as hello.s
$ chmod 755 a.out

这里需要注意一点，as生成的是 Mach-O 对象文件（Mach-O object file），而不是Mach-O executable file，是不能直接运行的，如果直接运行会提示cannot execute binary file。在 Windows 中，对象文件被称为 COFF（Common Object File Format）。

这时候需要使用连接器ld来处理对象文件。但是，如果简单的使用ld 会出现以下情况：

$ ld a.out
Undefined symbols for architecture x86_64:
  "_printf", referenced from:
      _main in a.out
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64

这是因为使用了 C 标准库的_printf，但是ld默认搜不到。所以加上库地址就可以，如下：

$ ld a.out -o hello -lSystem -L/Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX.sdk/usr/lib

特别注意！一般Mach-O executable file是不加任何后缀的。
这时候得到的hello便是需要的Mach-O executable file。使用file命令来检查一下：

$ file hello
hello: Mach-O 64-bit executable x86_64

然后运行一下看看：

$ ./hello
hello world!

运行完美～

结尾

本文还会时不时更新一下，修改一些问题，添加一些内容。

总之，希望能帮到有需要的人～

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as：

ld：

clang:

gcc:

size:

otool：

clang 或 gcc：

Xcode：

语法区别

1. 寄存器写法

十六进制写法

来用汇编写一个 Hello World 吧！

写代码

汇编成可执行文件

方法 1

方法 2

结尾

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