2018-2019-1 20189206 《Linux内核原理与分析》第二周作业

Linux内核分析 第二周学习

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知识总结

操作系统与内核

• 操作系统 指在整个系统中负责完成最基本功能和系统管理的那些部分
• 内核 实际是操作系统的内在核心
  • 内核独立于普通应用程序，拥有受保护的内存空间和访问硬件设备的所有权限，这种空间被称为内核空间
  • 当内核运行的时候，系统以内核状态进入内核空间执行
  • 当应用程序通过系统调用与内核通信时，我们称内核正在代其执行
    • 应用程序称为通过系统调用在内核空间运行，内核被称为运行于进程上下文中
    • 实际上，应用程序通常调用库函数，然后库函数通过系统调用界面，让内核完成不同任务
  • linux是一个单内核，但拥有模块化设计、抢占式内核、支持内核线程及动态装载内核模块的能力

计算机工作原理

冯诺依曼体系结构

根据冯诺依曼提出的理论：把程序本身当作数据来对待，程序和数据处理用同样的方式

• CPU 是计算机硬件的基础，与内存和I/O设备进行交互，其中PC程序寄存器总是指向下一条要执行的命令
  • API 程序与计算机的接口
  • ABI 程序与CPU的接口

x86-32汇编基础

CPU的寄存器

8086CPU中一共有14个16位寄存器，分别为：

• 数据寄存器
  • AX 累加寄存器
  • BX 基地址寄存器
  • CX 计数器寄存器
  • DX 数据寄存器
• 指针寄存器
  • SP 堆栈指针寄存器
  • BP 基指针寄存器
• 变址寄存器
  • SI 源变址寄存器
  • DI 目的变址寄存器
• 控制寄存器
  • IP 指令指针寄存器
  • FLAG 标志寄存器
• 段寄存器
  • CS 代码段寄存器
  • DS 数据段寄存器
  • SS 堆栈段寄存器
  • ES 附加段寄存器
    【注】在32位CPU中，32位寄存器EAX EBX ECX EDX 不仅可以传送数据、暂存数据保存算数罗运算结果，还可以作为指针寄存器。
    在定位一个指令时，使用CS:EIP来指明它的地址

寻址方式和常用汇编指令

• 操作数

  • 立即数 即常数，用$后跟一个数值表示
  • 寄存器数 表示某个寄存器保存的值 用%eax表示
  • 存储器引用 根据计算出来的有效地址，访问存储器的某个位置

• 常见汇编指令

  • 寄存器寻址 操作寄存器而不和内存打交道
    • movl %eax，%edx 表示将寄存器eax中的内容放到ebx中
  • 立即寻址
    • movl $0x123, %eax 表示将0x123这个16进制数放入eax这个寄存器中
  • 直接寻址
    • movl 0x123，%edx 表示将0x123内存地址所指向的那块内存里存储的数据放到EDX寄存器中
  • 间接寻址
    • movl (%ebx),%edx 表示取ebx寄存器中存储的地址的值，放入edx中
  • 变址寻址
    • movl 4（%ebx),%edx 表示在间接寻址的基础上，在原地址上加上一个立即数4
  • 出栈入栈
    • pushl %eax
      • 相当于subl $4,%esp movl %eax,(%esp) 将栈顶指针向下移动一位，再将eax的内容放入esp指向的内存中
      • 由于堆栈是向下增长的，所以用减指令栈顶指针向下移动
    • popl %eax
      • 相当于movl （%esp），%eax addl $4,%esp 将栈顶数值放在eax寄存器中，esp指针向上移动，栈在收缩
  • 函数调用
    • call 0x12345
      • 相当于pushl %eip（*） movl $0x12345, %eip（*） 将当前eip（指向下一条要运行的指令地址）入栈，然后将新的地址赋给eip
      • 由于不能直接对eip进行操作，所以以上的等价操作都是伪指令
  • 函数返回
    • ret
      • 相当于popl %eip（*） 就是把当前堆栈栈顶的一个存储单元放到eip寄存器中
  • 宏指令
    • leave 用来撤销函数堆栈
      • 相当于movl %esp,%ebp popl %ebp
    • enter 用来建立函数堆栈
      • 相当于pushl %ebp movl %esp,%ebp

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实验部分

实验一 反汇编一个简单的C程序

通过linux系统的gcc编译命令的参数-S 编译出汇编程序main.s 利用vim查看其中的代码。

其中，产生的汇编代码中所有以.开头的命令都是用于链接的辅助信息，为了查看到纯汇编程序，我们可以将所有带点的命令删除，得到的就是汇编代码。

对汇编代码的分析

• pushl %ebp ebp指针指向栈底，将ebp指向的位置入栈，栈顶指针esp向下移动
• movl %esp , %ebp ebp和esp指向同一个位置
  上面两条命令相当于建立main函数自己的函数调用空间
• subl $4,%esp esp指针减4 表示指针向下移动一个位置
• movl $2,(%esp) 将立即数2存入esp指向的位置
• call f 相当于 pushl %eip
  movl f,%eip 实际上就是将eip指针指向的代码地址入栈，之后将eip指针指向f函数，实现了函数的跳转
  之后再跳转执行f函数的代码。

【注】EAX寄存器是默认存储函数返回值的寄存器
所有函数的头两行指令用于初始化函数自己的函数调用堆栈空间

对应的堆栈变化

遇到的问题

1. movl %eax,%ebx 是将eax寄存器中存储的内容给了ebx
   movl %esp,%ebp 是将ebp指针指向和esp指针指向的同一个位置
   我刚开始就对这两条命令不是很清楚，为什么第一条就可以是存储内容，而第二条就是改变了指针的指向。后来我反应过来，esp和ebp这两个寄存器存储的是地址，是堆栈的栈底和栈顶的位置，从实质来看，改变的仍旧是寄存器中的内容。

2.刚开始的堆栈总是画不对，后来发现是概念错误

pushl %esp 首先将esp指针向下移动一位，再将esp指向的地址入栈。