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不积跬步,无以至千里.不积小流,无以成江海

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linux-assembly入门学习

linux-assembly入门学习

学习目的

  1. 应用:kernel底层有着大量的汇编语言,包括机器启动强相关的header.s 和原子性函数实现等内嵌汇编
  2. 需求:应用coredump,内核转储,内存分析都需要了解汇编才能更深入分析dump现场
  3. 提升:根据汇编分析寄存器变化,对堆栈分配,寻址方式等机器运行方式,了解架构机器真正运作的方式

汇编特点

  1. 汇编和机器架构硬件的强相关性,能最大发挥硬件特性,比如借助硬件中断, lock等
  2. 不受编译器(gcc)影响,和libc没有直接关系(没有用到库函数)
  3. 关键代码控制,比如保持代码的原子性,通过lock指令进行lock锁总线
  4. 性能优化,虽然锁总线影响性能,但是锁缓存是不是也比mutex快很多(todo)

汇编介绍

一种架构强相关,硬件强相关的底层语言,以人类可读的语言在汇编为二进制的机器指令码后控制机器的运行

汇编语法

汇编 是根据架构区分的,目前接触的是 AT&T, Inter, arm(需要找个ardroid机器实践),linux下用的是AT&T,包括header.s和内嵌汇编

不同架构的汇编语法不同

  1. 操作数位置:AT&T和Intel的源操作数,目的操作数位置是相反的

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    AT&T语法:源操作数,目的操作数   cmpxchg %ecx, %ebx;如果EAX与EBX相等,则ECX送EBX且ZF置1;否则EBX送EAX,且ZF清0
    Intel语法: 目的操作数,源操作数 CMPXCHG ebx, ecx ;如果EAX与EBX相等,则ECX送EBX且ZF置1;否则EBX送EAX,且ZF清0
  2. 语法前缀:汇编根据架构,语法前缀也是不同的

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    AT&T: 操作数和立即数都是有前缀的。  操作数:%作为前缀 %eax 立即数: $作为前缀  $1
    Inter: 操作数和立即数无前缀的。 操作数: eax 立即数: 1
  3. 操作数字长:操作符去表示操作数字长的方式也不同:

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    AT&T 由操作符的后缀表示操作数字长: b 单字节   w 双字节   l 4字节  q 8字节(64bit), 比如
    movb (%rbx), %al 将rbx指向的地址的首字节复制给al
    movb $10, -1(%rbx) 将10复制给 rbx指向的地址的前一个字节
    Intel 通过操作数前面加前缀表示: 比如 byte ptr , word ptr
  4. 内存寻址,首先需要了解基本的寻址方式有哪些

汇编工具

汇编器

汇编器有as和nasm,可以将汇编代码翻译为二进制的机器码。linux使用的是as,也gcc依赖的汇编器

as一般的使用和选项如下:

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-g 汇编时带上行相关信息
-o 指定目标
--32 i386架构
--64 x86_64架构
//as --gstabs --32 -o args.o args.s

链接器

用来将多个目标代码链接为一个可执行的程序,linux使用的是ld

ld一般的使用和选项如下:

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-m emulation模拟仿真器链接 -V 可以查看所有支持的仿真器
-T 指定链接脚本
–script=scriptfile 使用该脚本代替ld默认链接脚本
-o output 指定链接结果
–whole-archive file 将归档文件中的路径的库的符号都链接起来,后面需要跟–no-whole-archive代表界限
-s 删除symbol信息,不利于调试
//ld -m elf_i386 -o args args.o

linux下的链接见:Kbuild-Makefile学习

调试器

常用的是gdb, 也有其他的调试器比如ddd, ald,但是调试基本语法都是一致的。

汇编实践

实践前提-系统调用的理解

在应用层可以通过sycall()来进行系统调用,其实是通过libc中的库接口将其转化为汇编语言,要求一般是带系统调用的number和其需要的参数。
syscall()库接口针对不同的架构在汇编中调用不同的指令并将参数copy到对应的寄存器,比如在i386和X86_64中如下:

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arch/ABI   instruction          syscall #   retval
──────────────────────────────────────────────────
arm/OABI swi NR - a1
arm/EABI swi 0x0 r7 r0
arm64 svc #0 x8 x0
i386 int $0x80 eax eax
x86_64 syscall rax rax

汇编调用指令并将系统调用number和调用返回值设置在对应的寄存器中,比如eax或者rax

不同的架构参数需要copy到不同的寄存器

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arch/ABI      arg1  arg2  arg3  arg4  arg5  arg6  arg7
──────────────────────────────────────────────────────
arm/OABI a1 a2 a3 a4 v1 v2 v3
arm/EABI r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6
arm64 x0 x1 x2 x3 x4 x5 -
i386 ebx ecx edx esi edi ebp -
x86_64 rdi rsi rdx r10 r8 r9 -

针对以上三个平台,我们需要在进行指令调用前将参数按顺序copy到对于的寄存器

对于不同的架构,系统调用的number编号可能也是不同的,比如linux对符号表的定义如下:

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//arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl
1 i386 exit sys_exit
4 i386 write sys_write
//arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
1 common write sys_write
60 common exit sys_exit

再编译时通过Makefile处理之后,生成out和uapi两部分

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//arch/x86/entry/syscalls/Makefile
out := arch/$(SRCARCH)/include/generated/asm
uapi := arch/$(SRCARCH)/include/generated/uapi/asm

hello-world

打印hello-world其实就是调用write将”hello world”写到标准输出

32位汇编打印hello-world
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#hello.s
.data
msg : .string "Hello, world!\n"
len = . - msg
.text
.global _start

_start:
movl $len, %edx
movl $msg, %ecx
movl $1, %ebx
movl $4, %eax
int $0x80

movl $0, %ebx
movl $1, %eax

int $0x80

编译验证如下:

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//不指定架构
0-hello-world git:(master) ✗ as -g -o hello.o hello.s
0-hello-world git:(master) ✗ ld -o hello hello.o
0-hello-world git:(master) ✗ file hello
hello: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped
0-hello-world git:(master) ✗ ./hello
Hello, world!

//指定架构32位
0-hello-world git:(master) ✗ as --32 -g -o hello.o hello.s
0-hello-world git:(master) ✗ ld -m elf_i386 -o hello hello.o
0-hello-world git:(master) ✗ ./hello
Hello, world!

解析命令行参数

32位汇编代码

Linux 汇编语言开发指南上的实例代码无法正常运行,搞了好久,发现需要指定平台进行链接和汇编

解析命令行参数-32位汇编
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# args.s
#.code32
#32位汇编,链接和汇编时需要指定处理器架构
.text
.global _start

_start:
popl %ecx #argc出栈

vnext:
popl %ecx #参数地址出栈
test %ecx, %ecx #是否栈为空,栈空时为ecx 为0
jz exit # 栈为空就推出

movl %ecx, %ebx # ebx作为syscall write的地址部分,所以传递给ebx
xorl %edx, %edx # edx目的是为单个参数长度计数,每次都需要置0

strlen:
movb (%ebx), %al #将参数的第一个值传给al
inc %edx #长度计数器+1
inc %ebx #指向参数的第二个值
test %al, %al # 如果参数字符为`0`,那么参数长度解析完毕
jnz strlen # 如果参数没解析完,继续解析
movb $10, -1(%ebx) #将`0`字符换位`\n`字符

movl $4, %eax # 432bit代表为sys_write
movl $1, %ebx # 1为标准输出
int $0x80 # syscall中断

jmp vnext #解析下一个参数

exit:
movl $1, %eax # sys_exit, 32 bit
xorl %ebx, %ebx # 退出状态值
int $0x80

ret
正确的编译方式

编译和验证如下

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1-args git:(master) ✗ as --gstabs --32 -o args.o args.s
1-args git:(master) ✗ ld -m elf_i386 -o args args.o
1-args git:(master) ✗ file args
args: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped
1-args git:(master) ✗ ./args test1 tes2
./args
test1
tes2

针对X86和X64,as可选的处理器架构参数如下:

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--32 | --x32 | --64
Select the word size, either 32 bits or 64 bits. --32 implies Intel i386 architecture, while --x32 and --64 imply AMD x86-64 architecture with 32-bit or 64-bit word-size respectively.

ld可选的处理器架构参数如下:

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1-args git:(master) ✗ ld -V
GNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.26.1
支持的仿真:
elf_x86_64
elf32_x86_64
elf_i386
elf_iamcu
i386linux
elf_l1om
elf_k1om
i386pep
i386pe

as –x32会报错,可能amd 32位下应该用这个参数

–gstabs对gdb的预览调试还是有影响的,正如-g中描述的一样,为每一行汇编源代码生成调试,gdb调试和objdump -dS都有定位到行。

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//as -g --32 -o args.o args.s 
1-args git:(master) ✗ gdb args
(gdb) b _start
Breakpoint 1 at 0x8048054: file args.s, line 7.
(gdb) run
Breakpoint 1, _start () at args.s:7
7 popl %ecx

//objdump
08048054 <_start>:
8048054: 59 pop %ecx


//as --32 -o args.o args.s
1-args git:(master) ✗ gdb args
(gdb) b _strt
Breakpoint 1 at 0x8048054
(gdb) run
Breakpoint 1, 0x08048054 in _start ()

//objdump
_start:
popl %ecx
8048054: 59 pop %ecx

错误实践

起初我使用默认的选项去进行链接和汇编,但是执行会coredump, 下面是我的实践和分析

  1. 我本地环境为64位,汇编实际为32位,elf结果是64位的,发现链接不过,因此开头增加标记.code32,不然链接失败,但我并没有意识到问题的严重性

  2. strlen 下的 movb (%ebx), %al导致coredump,因为如下

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    (gdb) n

    Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
    strlen () at args.s:19
    19 movb (%ebx), %al
    (gdb) info register
    rax 0x0 0
    rbx 0xffffdeab 4294958763
    rcx 0x7fffffffdeab 140737488346795
    ...
    ...
    (gdb) x/s 0x7fffffffdeab
    0x7fffffffdeab: "/github/linux-driver/linux-assembly/1-args/args"
    (gdb) x/s 0xffffdeab
    0xffffdeab: <error: Cannot access memory at address 0xffffdeab>
    //发现寄存器都是64位的,64位的如果去寻址32位的有问题
  3. gdb调试分析发现实际流程和汇编代码不一致,objdump反汇编发现和汇编代码不一致,
    test %al, %al被忽略 导致ZF 标记异常,流程出现异常,如下

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    1-args git:(master) ✗ objdump -dS args
    args: 文件格式 elf64-x86-64 >>注意到文件格式为64位,和汇编语言增加.code32申明不一致
    ...

    test %al, %al >>并没有真正执行
    jnz strlen
    400088: 75 f8 jne 400082 <strlen>

    ...

64位汇编代码

解析命令行参数-64位汇编
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.text
.globl _start

_start:
popq %rsi
vnext:
popq %rsi
testq %rsi, %rsi
jz exit
movq %rsi, %rbx
xorq %rdx, %rdx
strlen:
movb (%rbx), %al
incq %rdx
incq %rbx
testb %al, %al
jnz strlen
movb $10, -1(%rbx) #10是换行键
movq $1, %rax # 系统调用号(sys_write)
movq $1, %rdi # 文件描述符(stdout)
syscall
jmp vnext
exit:
movq $60,%rax
movq $0,%rdi
syscall

64位代码运行如下:

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1-args git:(master) ✗ as -g --64 -o args-x86_64.o args-x86_64.s
1-args git:(master) ✗ ld -m elf_x86_64 -o args-x86_64 args-x86_64.o
1-args git:(master) ✗ ./args-x86_64 test1 test2
./args-x86_64
test1
test2
gdb分析64位代码运行
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1-args git:(master) ✗ gdb args-x86_64
(gdb) b _start
Breakpoint 1 at 0x400078: file args-x86_64.s, line 5.
(gdb) b vnext
Breakpoint 2 at 0x400079: file args-x86_64.s, line 7.
(gdb) b strlen
Breakpoint 3 at 0x400085: file args-x86_64.s, line 13.
(gdb) run test1
Starting program: /github/linux-driver/linux-assembly/1-args/args-x86_64 test1
Breakpoint 1, _start () at args-x86_64.s:5
5 popq %rsi
(gdb) info register
rax 0x0 0
rbx 0x0 0
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x0 0
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdac0 0x7fffffffdac0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400078 0x400078 <_start>
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) n
Breakpoint 2, vnext () at args-x86_64.s:7
7 popq %rsi
(gdb) info register
rax 0x0 0
rbx 0x0 0
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x2 2 >>argc为2
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdac8 0x7fffffffdac8 >>popq一次,栈指针下移
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400079 0x400079 <vnext>
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) n
vnext () at args-x86_64.s:8
8 testq %rsi, %rsi
(gdb) info register
rax 0x0 0
rbx 0x0 0
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774 >>argv[0]地址
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0 >>popq一次,栈指针下移
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x40007a 0x40007a <vnext+1>
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) n
9 jz exit
(gdb) info register
rax 0x0 0
rbx 0x0 0
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x40007d 0x40007d <vnext+4>
eflags 0x206 [ PF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) n
10 movq %rsi, %rbx
(gdb) info register
rax 0x0 0
rbx 0x0 0
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x40007f 0x40007f <vnext+6>
eflags 0x206 [ PF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) n
11 xorq %rdx, %rdx
(gdb) info register
rax 0x0 0
rbx 0x7fffffffde96 140737488346774
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400082 0x400082 <vnext+9>
eflags 0x206 [ PF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) n
Breakpoint 3, strlen () at args-x86_64.s:13
13 movb (%rbx), %al
(gdb) info register
rax 0x0 0
rbx 0x7fffffffde96 140737488346774
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400085 0x400085 <strlen>
eflags 0x246 [ PF ZF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) n
14 incq %rdx
(gdb) info register
rax 0x2f 47 >> `/`的ASCII是0x2f
rbx 0x7fffffffde96 140737488346774
rcx 0x0 0
rdx 0x0 0
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400087 0x400087 <strlen+2>
eflags 0x246 [ PF ZF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) x/s 0x7fffffffde96 >>打印第一个参数
0x7fffffffde96: "/github/linux-driver/linux-assembly/1-args/args-x86_64"
(gdb) x/x 0x7fffffffde96
0x7fffffffde96: 0x2f
(gdb) x/c 0x7fffffffde96
0x7fffffffde96: 47 '/'
(gdb) x/55c 0x7fffffffde96
0x7fffffffde96: 47 '/' 103 'g' 105 'i' 116 't' 104 'h' 117 'u' 98 'b' 47 '/'
0x7fffffffde9e: 108 'l' 105 'i' 110 'n' 117 'u' 120 'x' 45 '-' 100 'd' 114 'r'
0x7fffffffdea6: 105 'i' 118 'v' 101 'e' 114 'r' 47 '/' 108 'l' 105 'i' 110 'n'
0x7fffffffdeae: 117 'u' 120 'x' 45 '-' 97 'a' 115 's' 115 's' 101 'e' 109 'm'
0x7fffffffdeb6: 98 'b' 108 'l' 121 'y' 47 '/' 49 '1' 45 '-' 97 'a' 114 'r'
0x7fffffffdebe: 103 'g' 115 's' 47 '/' 97 'a' 114 'r' 103 'g' 115 's' 45 '-'
0x7fffffffdec6: 120 'x' 56 '8' 54 '6' 95 '_' 54 '6' 52 '4' 0 '\000'
>>注意最后一个是ASCII 0
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 3, strlen () at args-x86_64.s:13
13 movb (%rbx), %al
(gdb) info register
rax 0x2f 47
rbx 0x7fffffffde97 140737488346775 >>指向参数的下一个字符
rcx 0x0 0
rdx 0x1 1 >>长度计数已经为1
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400085 0x400085 <strlen>
eflags 0x202 [ IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) disable 3
(gdb) b args-x86_64.s:18
Breakpoint 4 at 0x400091: file args-x86_64.s, line 18. >>想要结束第一个参数的解析
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 4, strlen () at args-x86_64.s:18
18 movb $10, -1(%rbx) #10是换行键
(gdb) info registers
rax 0x0 0 >>此时为尾部的ASCII 0
rbx 0x7fffffffdecd 140737488346829 >>指向参数尾部ASCII 0的下一个字符地址
rcx 0x0 0
rdx 0x37 55 >>长度计数为55,包括尾部的ASCII 0
rsi 0x7fffffffde96 140737488346774
rdi 0x0 0
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad0 0x7fffffffdad0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x0 0
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400091 0x400091 <strlen+12>
eflags 0x246 [ PF ZF IF ] >>注意此时ZF=1, 因为testb %al, %al 结果为0,所以ZF置位
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) x/2c 0x7fffffffdecb
0x7fffffffdecb: 52 '4' 0 '\000' >>确认一致
(gdb) info b
Num Type Disp Enb Address What
1 breakpoint keep y 0x0000000000400078 args-x86_64.s:5
breakpoint already hit 1 time
2 breakpoint keep y 0x0000000000400079 args-x86_64.s:7
breakpoint already hit 1 time
3 breakpoint keep n 0x0000000000400085 args-x86_64.s:13
breakpoint already hit 2 times
4 breakpoint keep y 0x0000000000400091 args-x86_64.s:18
breakpoint already hit 1 time
(gdb) disable 4 >>想要跳出第一个参数的解析
(gdb) c
Continuing.
/github/linux-driver/linux-assembly/1-args/args-x86_64

Breakpoint 2, vnext () at args-x86_64.s:7
7 popq %rsi >>开始要解析test1这个参数
(gdb) c
Continuing.
test1

Breakpoint 2, vnext () at args-x86_64.s:7
7 popq %rsi
(gdb) info registers
rax 0x6 6 >>write函数返回值,上一次成功写入6个字符
rbx 0x7fffffffded3 140737488346835
rcx 0x4000a5 4194469
rdx 0x6 6 >>第二个参数计数为6
rsi 0x7fffffffdecd 140737488346829
rdi 0x1 1
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdad8 0x7fffffffdad8
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x246 582
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x400079 0x400079 <vnext>
eflags 0x246 [ PF ZF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0
(gdb) b args-x86_64.s:8 >>想要检查rsi的值
Breakpoint 5 at 0x40007a: file args-x86_64.s, line 8.
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 5, vnext () at args-x86_64.s:8
8 testq %rsi, %rsi
(gdb) info registers
rax 0x6 6
rbx 0x7fffffffded3 140737488346835
rcx 0x4000a5 4194469
rdx 0x6 6
rsi 0x0 0 >>rsi为空
rdi 0x1 1
rbp 0x0 0x0
rsp 0x7fffffffdae0 0x7fffffffdae0
r8 0x0 0
r9 0x0 0
r10 0x0 0
r11 0x246 582
r12 0x0 0
r13 0x0 0
r14 0x0 0
r15 0x0 0
rip 0x40007a 0x40007a <vnext+1>
eflags 0x246 [ PF ZF IF ]
cs 0x33 51
ss 0x2b 43
ds 0x0 0
es 0x0 0
fs 0x0 0
gs 0x0 0

内联汇编

内联汇编在cmpxchg kernel-api学习这一部分已经有过描述,下面一部分主要是系统的介绍

为了针对关键代码进行控制和优化,因此在c代码中引入汇编,称为内联汇编,我们需要按照规则进行编写,内联汇编则会由gcc进行解析。

汇编与c之间的联系,问题有:

  1. 变量如何分配给寄存器
  2. 变量是否分配给寄存器,或是直接通过指令直接进行内存操作
  3. 如果变量传给寄存器进行运算,之后是否需要回写到变量内存

内联汇编基本格式为__asm__("asm statements" : outputs : inputs : registers-modified);

其编写规则分为如下4个部分,解决了以上问题

  1. 指令部分(内联模板):描述汇编指令,用%0, %1描述将用第几个操作数传递到寄存器或者直接操作内存进行运算
    因为AT&T寄存器也是使用%描述,因此使用%%来描述寄存器
  2. 输出部分:操作数约束条件 + 输出操作数,约束条件前加=或者+,之后回写到内存变量
  3. 输入部分:操作数约束条件 + 输入操作数
  4. clobbers:对内存变量/寄存器/编译优化的规则描述,一般设置如下:
    1
    2
    3
    4
    寄存器: 指的是非输出输入部分列出的,在指令部分显示和隐式使用的寄存器说明,比如保存中间结果寄存器,指的是我们破坏了这些寄存器原本的数值
    memory: 不要将这段指令和内嵌汇编前的指令重新排序,也就是在执行内嵌汇编代码之前,它前面的指令都执行完毕
    不要将内存变量缓存到寄存器,因为指令中可能用到了内存变量,而这些内存变量可能会因为其他原因改变
    在内嵌汇编之后再使用内嵌汇编中的变量,应该从内存重新装载,而不是使用寄存器的值,因为寄存器的值可能已经发生改变

嵌入式汇编(内联汇编)同样对这部分有很好的描述

实践-copy

将c copy到a和b
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
#define asm __asm__    
#define volatile __volatile__

/*
* 将c复制到a和b
*/

int main() {
int a = 1, b = 2, c = 3, d = 4;
asm volatile("movl %2, %%ebx \n\t"
"movl %%ebx, %1 \n\t"
"movl %%ebx, %3"
: "=a" (a), "=r" (b)
: "0" (c), "r" (d)
: "%ebx");
printf("a is %d, b is %d, c is %d, d is%d \n", a, b, c, d);
return 0;
1
2
3
4
5
6
inline-assembly git:(master) ✗ gcc -o copy2.o copy2.c 
inline-assembly git:(master) ✗ ./copy2.o
a is 3, b is 3, c is 3, d is4
c copy到a 是通过将c绑定到eax,之后输出时eax回写到a
c copy到b 是通过将中间寄存器ebx 复制到b
d不变是因为d对应的寄存器参与了运算,但是没有回写到b

实践-cmpxchgl

cmpxchgl
1
2
3
4
5
6
7
8
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12
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18
19
20
21
22
23
24
#define asm __asm__
#define volatile __volatile__

/*
* 比较并交换,见指令cmpxchg
*/

int main() {
int A = 1, old = 2, new = 3;
int *ptr = &A;
int ret;
asm volatile("lock;" "cmpxchgl %2,%1" \
: "=a" (ret), "+m" (*ptr) \
: "r" (new), "0" (old) \
: "memory");
printf("ret is %d, A is %d, old is %d\n", ret, A, old);
A = 2;
asm volatile("lock;" "cmpxchgl %2,%1" \
: "=a" (ret), "+m" (*ptr) \
: "r" (new), "0" (old) \
: "memory");
printf("ret is %d, A is %d, old is %d\n", ret, A, old);
return 0;
}
1
2
3
4
5
6
inline-assembly git:(master) ✗ gcc -o cmpxchgl cmpxchgl.c
inline-assembly git:(master) ✗ ./cmpxchgl
ret is 1, A is 1, old is 2
ret is 2, A is 3, old is 2
//A !=old, ret = A
//A == old, ret不变, A=new

参考

  1. Linux 汇编语言开发指南
  2. 在Linux虚拟机上写汇编-2.处理命令行参数