第三章 程式的機器級表示

目錄

• 第三章 程式的機器級表示
  • 1. 程式編碼
    • 1.1 gcc編譯C程式
    • 1.2 Cmake使用
      • makefile的格式
      • make的高階特性
    • 1.3 反彙編
  • 2. 資料表示
  • 3. 資料訪問
    • 3.1 整數暫存器
    • 3.2 定址
    • 3.3 資料傳送指令
    • 3.4 出棧入棧
    • 3.5 算邏運算
    • 3.6 控制
      • 控制碼
      • 比較和測試
      • 訪問條件碼
      • 跳轉指令
      • if語句實現
      • 迴圈實現
      • switch實現
    • 3.7 函式呼叫

1. 程式編碼

1.1 gcc編譯C程式

編譯過程：

• 預處理：巨集定義展開、標頭檔案展開、條件編譯等，同時將程式碼中的註釋刪掉，這裡並不會檢查語法；
• 編譯：檢查語法，將預處理後的檔案編譯成彙編檔案；
• 彙編: 將彙編檔案生成目標檔案（二進位制檔案）；
• 連結： C語言寫的程式是需要依賴各種庫的，所以編譯之後還需要把庫連結到可執行程式中去。

命令：

• 如果要一步到位直接生成可執行檔案，命令為gcc hello.c -o hello

• 可以在gcc後指定 -Og/-O1/-O2設定編譯優化級別

以一下程式碼為例：

//main.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void multstore(double, double, double*);
int main(){
	double d;
	multstore(2, 3, &d);
	printf("2 * 3-->%ld\n", d);
	system("pause");
	return 0;
}
double mult2(double a, double b){
	double s = a * b;
	return s;
}
 

//mstore.c
double mult2(double, double);
void multstore(double x, double y, double *dest){
	double t = mult2(x,y);
	*dest = t;
}

預處理：

gcc main.c -o main.i
gcc mstore.c -o mstore.i

編譯：

gcc -S main.i -o main.s
gcc -S mstore.i -o mstore.s

彙編：

gcc -c main.s -o main.o
gcc -c mstore.s -o mstore.o

連結：

gcc main.o mstore.o //不指定名稱，預設為a.exe
 

一步：

gcc main.c mstore.c -o test//指定名稱為test.exe

1.2 Cmake使用

makefile的格式

target ... : prerequisites ...
        command
        ...
        ...

target：輸出檔案的名稱

prerequisites：輸入的檔名稱

command：一系列的gcc命令

test : main.o mstore.o
	gcc main.o mstore.o -o test
	
main.o : main.s
	gcc main.s -o main.o
mstore.o : mstore.s
	gcc mstore.s - mstore.o
	
main.s : main.c
	gcc main.c -o main.s
mstore.s : mstore.c
	gcc mstore.c -o mstore.s

make的高階特性

1. 自動推導：make可以識別一個.o檔案，自動將對應的.c檔案加在依賴關係中。並且也會自動推匯出相關的編譯命令。因此上述的makefile檔案可以只包含前兩行

2. 使用變數

   objs = main.o mstore.o
   test : $(objs)
   	gcc $(objs) -o test
   

1.3 反彙編

機器程式碼反彙編到彙編：

objdump -d target.o

如：

彙編到C？

2. 資料表示

• 針對不同大小，資料傳送指令分為movb（位元組）, movw（字）, movl（雙字）, movq（四字）
• 字尾 l 同時表示4位元組整數和8位元組雙精度浮點數，根據指令和暫存器進行區分

3. 資料訪問

3.1 整數暫存器

x86-64處理器包含了16個64bit的通用目的暫存器，儲存整數和指標

明明規則：

• 前8組以16bit暫存器為主，64 32和8bit分別帶r e 和l的字首或者字尾；
• 後8組以64bit暫存器為主，命名為r8~r15，32 16 8bit分別帶d w b字尾

功能：

• 函式返回值：ax
• 函式引數：di si dx cx r8 r9共9個，分別儲存1到6個函式引數，超出6個的引數被放在被調函式的棧幀上
• 被呼叫者儲存暫存器：剩餘的都是，不管哪個程式都可以使用，但是在使用前需要儲存暫存器原始資料，使用完要恢復（在函式呼叫時，儲存現場和恢復現場由被調函式完成）

3.2 定址

共三類：

• 立即數：只能是整數，浮點數沒有立即數
• 暫存器：16個暫存器的低位1 2 4 8位元組
• 記憶體引用：M[Addr]

定址方式：有效地址=Imm + R[rb] + R[ri]*s，表示為Imm(rb, ri, s)

3.3 資料傳送指令

簡單傳送指令

• movabsq的目的地之只能是64位暫存器
• movl會將暫存器高32位置0

擴充傳送（將少位數的擴充後傳送到多位數的）

3.4 出棧入棧

• 對rsp暫存器操作
• 向下生長
• 按位元組編址

3.5 算邏運算

• 結果都儲存在第二個暫存器處

• 除了leaq外，其餘指令都有 q l w b四個變種

• 特殊算數運算：針對8字（128位）的運算

rax存乘數、乘積低位、商，rdx存乘積高位、餘數

3.6 控制

控制碼

進位：CF

零標誌：ZF

負數標誌：SF

溢位標誌：OF

比較和測試

cmp S1, S2：基於S2-S1進行

test S1, S2：基於S1&S2

• 都有b l w q四種變種
• 只設置條件碼，不改變暫存器

訪問條件碼

set指令

總結：需要區分有符號數和無符號數的指令有移位、特殊除法、set指令

跳轉指令

• 直接跳轉：jump Label
• 間接跳轉：jump *Adrr

if語句實現

C語言模板：

if(test-expr){
    then-statement
}else{
    else-statement
}

彙編控制流：

t = test-expr
if(!t)
	goto false;
then-statement
goto done
false:
	else-statement
done:

用條件傳送實現分支

• 實現：計算出兩種操作的結果，然後根據條件選擇傳送一種

  例如對於條件賦值表示式：v = test-expr ? then-expr : else-expr

  條件傳送的控制流為：

  v = then-expr
  ve = else-expr
  t = test-expr
  if(!t)v = ve
  

• 副作用：需要對then-expr和else-expr都求值，一方面增加了計算量，另一方面可能導致非法行為（非法地址訪問）

迴圈實現

do-while迴圈

loop:
body-staement
t = test-expr
if(t) goto loop

while迴圈

1. 中間跳轉法

	goto test
loop:
	body-statement
test:
	t = test-expr
	if(t) goto loop

2. guarded-do

t = test-expr
if(!t) goto done
loop:
	body-statement
	t = test-expr
	if(t) goto loop
done:

for迴圈，類似於while迴圈的實現

switch實現

跳轉表+間接跳轉

3.7 函式呼叫

函式呼叫的實現機制（P呼叫Q）：

• 控制轉移：將Q的入口地址讀到rsp中，將P的斷點存到棧中
• 傳遞資料：P將Q需要的引數傳入，優先傳到rdi rsi rdx rcx r8 r9
• 分配和釋放記憶體：Q的區域性變數