第三章 程序的机器级表示
1. 程序编码
1.1 gcc编译C程序
编译过程：
- 预处理：宏定义展开、头文件展开、条件编译等，同时将代码中的注释删掉，这里并不会检查语法；
- 编译：检查语法，将预处理后的文件编译成汇编文件；
- 汇编: 将汇编文件生成目标文件（二进制文件）；
- 链接： C语言写的程序是需要依赖各种库的，所以编译之后还需要把库链接到可执行程序中去。
命令：
| 步骤 | 命令 |
|---|---|
| 预处理 | gcc -E hello.c -o hello.i |
| 编译 | gcc -S hello.i -o hello.s |
| 汇编 | gcc -c hello.s -o hello.o |
| 链接 | gcc hello.o -o hello_elf |
-
如果要一步到位直接生成可执行文件，命令为
gcc hello.c -o hello -
可以在gcc后指定 -Og/-O1/-O2设定编译优化级别
以一下代码为例：
//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
", 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;
}
预处理：
gcc main.c -o main.i
gcc mstore.c -o mstore.i
编译：
gcc -S main.i -o main.s
gcc -S mstore.i -o mstore.s
汇编：
gcc -c main.s -o main.o
gcc -c mstore.s -o mstore.o
链接：
gcc main.o mstore.o //不指定名称，默认为a.exe
一步：
gcc main.c mstore.c -o test//指定名称为test.exe
1.2 Cmake使用
makefile的格式
target ... : prerequisites ...
command
...
...
target：输出文件的名称
prerequisites：输入的文件名称
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的高级特性
-
自动推导：make可以识别一个
.o文件，自动将对应的.c文件加在依赖关系中。并且也会自动推导出相关的编译命令。因此上述的makefile文件可以只包含前两行 -
使用变量
objs = main.o mstore.o test : $(objs) gcc $(objs) -o test
1.3 反汇编
机器代码反汇编到汇编：
objdump -d target.o
如：
汇编到C？
2. 数据表示
- 针对不同大小，数据传送指令分为movb（字节）, movw（字）, movl（双字）, movq（四字）
- 后缀 l 同时表示4字节整数和8字节双精度浮点数，根据指令和寄存器进行区分
3. 数据访问
3.1 整数寄存器
x86-64处理器包含了16个64bit的通用目的寄存器，存储整数和指针
明明规则：
- 前8组以16bit寄存器为主，64 32和8bit分别带r e 和l的前缀或者后缀；
- 后8组以64bit寄存器为主，命名为r8~r15，32 16 8bit分别带d w b后缀
功能：
- 函数返回值：ax
- 函数参数：di si dx cx r8 r9共9个，分别保存1到6个函数参数，超出6个的参数被放在被调函数的栈帧上
- 被调用者保存寄存器：剩余的都是，不管哪个程序都可以使用，但是在使用前需要保存寄存器原始数据，使用完要恢复（在函数调用时，保存现场和恢复现场由被调函数完成）
3.2 寻址
共三类：
- 立即数：只能是整数，浮点数没有立即数
- 寄存器：16个寄存器的低位1 2 4 8字节
- 内存引用：M[Addr]
寻址方式：有效地址=Imm + R[rb] + R[ri]*s，表示为Imm(rb, ri, s)
3.3 数据传送指令
简单传送指令
- movabsq的目的地之只能是64位寄存器
- movl会将寄存器高32位置0
扩充传送（将少位数的扩充后传送到多位数的）
3.4 出栈入栈
- 对rsp寄存器操作
- 向下生长
- 按字节编址
3.5 算逻运算
-
结果都存储在第二个寄存器处
-
除了leaq外，其余指令都有 q l w b四个变种
-
特殊算数运算：针对8字（128位）的运算
rax存乘数、乘积低位、商，rdx存乘积高位、余数
3.6 控制
控制码
进位：CF
零标志：ZF
负数标志：SF
溢出标志：OF
比较和测试
cmp S1, S2：基于S2-S1进行
test S1, S2：基于S1&S2
- 都有b l w q四种变种
- 只设置条件码，不改变寄存器
访问条件码
set指令
总结：需要区分有符号数和无符号数的指令有移位、特殊除法、set指令
跳转指令
- 直接跳转：jump Label
- 间接跳转：jump *Adrr
if语句实现
C语言模板：
if(test-expr){
then-statement
}else{
else-statement
}
汇编控制流：
t = test-expr
if(!t)
goto false;
then-statement
goto done
false:
else-statement
done:
用条件传送实现分支
-
实现：计算出两种操作的结果，然后根据条件选择传送一种
例如对于条件赋值表达式：
v = test-expr ? then-expr : else-expr条件传送的控制流为：
v = then-expr ve = else-expr t = test-expr if(!t)v = ve -
副作用：需要对then-expr和else-expr都求值，一方面增加了计算量，另一方面可能导致非法行为（非法地址访问）
循环实现
do-while循环
loop:
body-staement
t = test-expr
if(t) goto loop
while循环
- 中间跳转法
goto test
loop:
body-statement
test:
t = test-expr
if(t) goto loop
- guarded-do
t = test-expr
if(!t) goto done
loop:
body-statement
t = test-expr
if(t) goto loop
done:
for循环，类似于while循环的实现
switch实现
跳转表+间接跳转
3.7 函数调用
函数调用的实现机制（P调用Q）：
- 控制转移：将Q的入口地址读到rsp中，将P的断点存到栈中
- 传递数据：P将Q需要的参数传入，优先传到rdi rsi rdx rcx r8 r9
- 分配和释放内存：Q的局部变量