x86 64位的ubuntu环境下汇编(无优化)及函数调用栈的详解

1. 引言

为了深入理解c++，决定学习一些简单的汇编语言。使用ubuntu系统下g++很容易将一个c++的文件编译成汇编语言。本文使用此方法，对一个简单的c++文件编译成汇编语言进行理解。

2.示例

文件名：reorder_demo.cpp

#include<stdio.h>

typedef unsigned char uint8;

uint8 a = 0U;
uint8 b = 0U;

int main(int argn, char* argv[])
{
    a = b + 1;
    b = 1;
    return 0;
}

转化成汇编语言的编译命令如下

g++ -S reorder_demo.cpp

转化后生成reorder_demo.s，汇编语言内容如下：

	.file	"reorder_demo.cpp"
	.text
	.globl	a
	.bss
	.type	a, @object
	.size	a, 1
a:
	.zero	1
	.globl	b
	.type	b, @object
	.size	b, 1
b:
	.zero	1
	.text
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	endbr64
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	movl	%edi, -4(%rbp)
	movq	%rsi, -16(%rbp)
	movzbl	b(%rip), %eax
	addl	$1, %eax
	movb	%al, a(%rip)
	movb	$1, b(%rip)
	movl	$0, %eax
	popq	%rbp
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE0:
	.size	main, .-main
	.ident	"GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.2) 9.4.0"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits
	.section	.note.gnu.property,"a"
	.align 8
	.long	 1f - 0f
	.long	 4f - 1f
	.long	 5
0:
	.string	 "GNU"
1:
	.align 8
	.long	 0xc0000002
	.long	 3f - 2f
2:
	.long	 0x3
3:
	.align 8
4:

以上汇编代码的格式是AT&T 格式的汇编，如果想生成intel格式的汇编可以使用以下命令：

g++ -S -masm=intel  reorder_demo.cpp

3.内存分区

为了更容易理解，从别处找了张内存分区的图供参考，如下

4.汇编分析（包括函数栈帧变化）

.file    "reorder_demo.cpp"

标识汇编文件的源文件为reorder_demo.cpp

.text

标识代码存放段开始。上面汇编中2个.text都是如此，第一个是存放全局变量的代码开始，第二个是存放main函数代码段的开始。

.zero    1

这是一条伪汇编指令，就是把CPU中通用寄存器R0的值设置为0.

伪指令的作用在汇编过程中起作用，一旦汇编结束，就没有实际的作用。

.globl    a                   

标识全局符号a
.bss                             

bss段一般标识未手动初始化的数据，并不给该段的数据分配实际的内存空间，只是记录数据所需空间的大小。
.type    a, @object

定义全局符号a的类型为object,意思就是全局符号a是一个变量。
.size    a, 1

全局变量a的尺寸为1个字节

a:

给全局变量a分配地址

globl b和a类似，不在赘述

.LFB0:  

局部函数开始 Local Function Bigin

.LFE0:

局部函数结束 Local Function END

.cfi_startproc

汇编语言中的一条伪指令，用于声明起始过程，为调试生成调试信息。

endbr64

汇编伪指令，空操作，主要由处理器流水线用作标记指令，以检测控制流违规。

pushq    %rbp

把寄存器%rbp的值压入调用栈中。%rbp标识函数栈帧的基地址。

模型如下(此处约定灰色表示命令执行前状态，红色表示当前块引用内汇编指令执行后的状态)

  补充x86-64 指令架构要求的 64Bit 通用寄存器如下：

可以看出一条规律：r打头的寄存器表示的是64bit的寄存器。 

其中，rbp和rsp模型表示：

movq    %rsp, %rbp

直译：把rsp寄存器的值(函数基地址)移动到rbp寄存器(当前栈顶)中。

PS: movq表示移动的是64位寄存器，需要注意的是,和大多数所知的不同，此处移动的方向是从第一参数移动到第二参数，以下也是如此。

理解：此条汇编指令代表调用新函数(main函数)前，函数栈帧基地址指向当前栈顶指针。

模型如下：

.cfi_def_cfa_offset 16

cfi_offset 6, -16

.cfi主要用于添加调试信息，功能意义可忽略。

movl    %edi, -4(%rbp)    
movq    %rsi, -16(%rbp)

函数把edi和rsi寄存器中值放入%rbp-4和%rbp-16的栈中，如上通用寄存器表格，rsi存放着函数第二参数，edi除了是32bit的通用寄存器，其他方面的作用和rdi类似，存放函数第一参数。其中movl是表示移动的是long类型的数，而movq移动的是64位的数。对应于c++源码中的main函数参数，int argn(可知int占用32bit)和char* argv(因为是64位操作系统编译的，指针占用64bit)。模型如下（其中rsb寄存器的内容隐式地发生变化）

 movzbl    b(%rip), %eax

eax寄存器称为x86架构下32位（解析这段汇编调查中发现一个规律：e打头的寄存器是32位寄存器）累加寄存器，主要用于算术运算，逻辑操作，其分布模型如下

AH占高8位，AL占低8位，AX占低16位。

movzbl 是把8bit的数填充0后移动到32位寄存器。

直译：把b的值放入到eax寄存器中，其中rip寄存器里放的是全局变量b的地址。模型如下

addl    $1, %eax

直译：把数字1和eax里面的值相加后放入到eax寄存器中。其中addl表示操作的数据类型是long类型的（32bit）
movb    %al, a(%rip)

直译：把寄存器AL(是EAX寄存器的低8bit)的值放入到全局变量a的地址里面。模型可以参考之前的图形。其中movb表示操作的对象是byte大小的数据（8bit）。

汇总起来，这里3条汇编指令对应的源代码为：

a = b +  1;

movb    $1, b(%rip)

直译：把1移动给全局变量b,其中rip寄存器里存放的是全局变量b的内存地址。
movl    $0, %eax

直译：把0移动给寄存器eax

popq    %rbp

直译：把寄存器rbp指向的地址从栈中弹出去。模型如下：

.cfi_def_cfa 7, 8  -> 伪指令，不讲解
ret

函数退出
.cfi_endproc -> 伪指令，不讲解

.size    main, .-main  

此处.size指令提示汇编器在目标文件中记录某种size的信息，此处是记录main函数的尺寸。

.-main 标识main函数的尺寸。理解这句话，就得先理解“.”的含义。

“.”标识内存中当前地址，main标识main开头地址，所以，尾地址“.” - 头地址“main”,表示main函数在内存中占用的空间尺寸。

.ident    "GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.2) 9.4.0"

GCC编译器记录的追踪信息，目标文件结束时常常伴随记录，在链接时此信息会被去除。