20145227 《信息安全系统设计基础》第五周学习总结
教材学习内容总结
一、程序编码
编译如下代码： unix> gcc -01 -o p p1.c p2.c
- 01 表示告诉编译器使用第一级优化。通常，提高优化级别会使最终程序运行的更快，但编译时间可能会变长，用调试工具对代码进行调试会更困难。
- 从得到的程序性能方面考虑，第二级优化-02被认为是是较好的选择。
二、机器级代码
1、两种抽象
（1）ISA
ISA（Instruction set architecture）指令体系结构：机器级程序的格式和行为，定义了处理器状态、指令的格式、每条指令对状态的影响。
（2）机器级程序使用的存储器地址是虚拟地址
提供的存储器模型看上去是一个非常大的字节数组，实际实现是将多个硬件存储器和操作系统软件组合起来。
2、状态可见的几种处理器
- 程序计数器 （PC，用%eip表示）
- 整数寄存器 （包含8个命名的位置，存储32位的值）
- 条件码寄存器 （实现if和while语句）
- 浮点寄存器 （存放浮点数）
三、获得汇编代码
1、gcc -S xxx.c -o xxx.s 获得汇编代码
eg：unix> gcc -01 -S code.c
2、objdump -d xxx 反汇编;
eg:unix> objdump -d code.o
注意: 64位机器上想要得到32代码：gcc -m32 -S xxx.c
MAC OS中没有objdump, 有个基本等价的命令otool
Ubuntu中 gcc -S code.c （不带-O1） 产生的代码更接近教材中代码（删除"."开头的语句）
四、查看二进制格式文件
二进制文件可以用od 命令查看，也可以用gdb的x命令查看。 有些输出内容过多，我们可以使用 more或less命令结合管道查看，也可以使用输出重定向来查看
od code.o | more
od code.o > code.txt
五、关于格式的注解
以“.”开头的行都是指导汇编器和链接器的命令，我们通常可以忽略这些行。
gcc -S 产生的汇编中可以把 以”.“开始的语句都删除了再阅读。
六、访问信息
1、操作数指示符
操作数：指示出执行一个操作中要引用的源数据值，以及放置结果的目标位置。
操作数的三种类型
- 立即数
- 寄存器
- 存储器
2、数据传送指令
（1）MOV类指令
定义：将数据从一个位置复制到另一个位置，将源操作数的值复制到目的操作数。
（2）PUSH&POP指令
PUSH：将数据压入程序栈中
POP：从程序栈中弹出数据
七、控制
1、条件码
条件码寄存器：他们描述了最近的算术或逻辑操作的属性。
常用的条件码：
CF:进位标志
ZF:零标志
SF:符号标志
OF:溢出标志
常见指令：
LEAL：不改变条件码寄存器
XOR：进位标志和溢出标志会设置成0
INC：设置溢出和零标志
DEC：设置溢出和零标志
CMP：根据操作数之差设置条件码
SUB：设置条件码，更新寄存器
TEST：改变目的寄存器的值
2、访问条件码
常用使用方法：
（1）根据条件码的某个组合，将一个字节设置成0或1
（2）可以条件跳转到某个其他部分
（3）可以有条件的传送数据
3、跳转指令及其编码
JUMP指令，导致执行切换到程序中一个全新的位置。
注意：jump分为直接跳转和间接跳转
- 直接跳转：后面跟标号作为跳转目标
- 间接跳转：*后面跟一个操作数指示符
八、循环
1、do-while循环
汇编中，根据do-while形式产生循环代码
do-while语句的通用形式：
do
body-statement
while(test-expr);
可翻译成如下：
loop：
body-statement
t = test-expr;
if(t)
goto loop;
2、while循环
while语句的通用形式：
while (test-expr)
body-statement
GCC采用的方法，是使用条件分支，需要时省略循环体的第一次执行：：
if(！test-expr）
goto done;
do
body-statement
while(test-expr);
done:
接下来，这个代码可直接翻译成goto代码：
t = test-expr;
if(!t)
goto done:
loop：
body-statement
t = test-expr;
if(t)
goto loop;
done:
3、for循环
for循环的通用形式：
for(init-expr;test-expr;update-expr)
body-statement
汇编结构：
init-expr
t=test-expr;
if(!t)
goto done;
loop:
body-statement
update-expr;
t=test-expr;
if(t)
goto loop;
done:
4、switch语句
根据一个整数索引值进行多重分支，执行switch语句的关键步骤是通过跳转表来访问代码位置，使结构变得更加高效。
九、过程
过程调用
-
进入时为过程的局部变量分配空间
-
将数据（以过程参数和返回值的形式）和控制从代码的一部分传递到另一部分。
-
退出时释放这些空间。
1、栈帧结构
-
IA32程序用程序栈来支持过程调用。
-
机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器，以及本地存储。
2、转译控制
（1）call指令
- 目标是指明被调用过程起始的指令地址
- 效果是将返回地址入栈，并跳转到被调用过程的起始处。
（2）ret指令
- 从栈中弹出地址，并跳转到这个位置。
- 函数返回值存在%eax中
3、寄存器使用惯例
注意：保证当一个过程调用另一个过程时，被调用者不会覆盖某个调用者稍后会用的寄存器的值。
十、应用：使用GDB调试器
关于栈帧的gdb命令：
1、backtrace/bt n
打印当前的函数调用栈的所有信息。
n是一个正整数，表示只打印栈顶上n层的栈信息。
-n表一个负整数，表示只打印栈底下n层的栈信息。
2、frame n
n为栈中的层编号，是一个从0开始的整数
比如：frame 0，表示栈顶，frame 1，表示栈的第二层。
该指令是移动到n指定的栈帧中去，并打印选中的栈的信息。
如果没有n，则打印当前帧的信息。
3、up n
表示向栈顶移动n层
可以不打n，表示向上移动一层。
4、down n
表示向栈底移动n层
可以不打n，表示向下移动一层。
实验过程
实验环境中编写的源代码如下：
执行gcc -S -o main.s main.c -m32命令后编译成汇编代码:
删除gcc产生代码中以"."开头的编译器指令:
注释了栈帧情况的汇编代码：
实验分析：
学习中的问题和解决过程
问题一：做语句这部分的练习题时，只能做到一句句的顺序的读出汇编代码，但是不能准确的对应到C语言代码，只能对比课后答案。希望老师上课堂上可以带着练习练习。
问题二：教材P131练习题3.16得C代码为：
void cond(int a,int *p)
{
if(p&&a>0)
*p +=a;
}
按照与汇编代码等价的C语言goto版本，写一个与之等价的C语言代码如下：
void goto_cond(int a,int *p)
{
if(p == 0)
goto done;
if(a<=0)
goto done;
*p +=a;
done:
return;
}
为什么C语言只有一个if语句；而汇编中有两个分支呢？
原因：第一个条件分支是&&表达式实现的一部分；如果对p为非空的测试失败，代码会跳过对a>0的测试。
问题三：教材P151练习题3.30
call next
next:
popl %eax
为什么这个调用没有与之匹配的ret指令呢？这段代码功能是什么？
原因：这并不是一个真正的过程调用，因为控制是按照与指令相同的顺序进行的，而返回值是从栈中弹出的。这是IA32中将程序计数器的值放到整数寄存器中的唯一方法。
本周代码托管链接
https://git.oschina.net/20145227/IS-Design-20145227/tree/master/ch05
其他（感悟、思考等，可选）
- 这周内容相对较多，但因为从周二开始就每天都看一点内容。总结一点知识，所以周末还是比较轻松的，没有上次那种慌乱的感觉。上次因为把所有内容都堆在周末，导致整个周末都在看这门课，很累而且效率真的不高，这周换了一种方式轻松了许多。这次的很多内容都是在上学期的汇编的基础上进行的，讲的更为深入，有些地方理解起来还是有些困难的，但是我会继续啃教材，相信把教材多研究一下效果会更加好的。
学习进度条
| 代码行数（新增/累积） | 博客量（新增/累积） | 学习时间（新增/累积） | 重要成长 | |
|---|---|---|---|---|
| 目标 | 5000行 | 30篇 | 400小时 | |
| 第一周 | 0 | 2/2 | 20/20 | |
| 第二周 | 100/100 | 1/3 | 20/40 | |
| 第三周 | 200/300 | 1/4 | 22/62 | |
| 第五周 | 200/500 | 1/5 | 22/84 |