# 加餐 | 汇编代码编程与栈帧管理 在[22讲](https://time.geekbang.org/column/article/147854)中，我们侧重讲解了汇编语言的基础知识，包括构成元素、汇编指令和汇编语言中常用的寄存器。学习完基础知识之后，你要做的就是多加练习，和汇编语言“混熟”。小窍门是查看编译器所生成的汇编代码，跟着学习体会。 不过，可能你是初次使用汇编语言，对很多知识点还会存在疑问，比如： * 在汇编语言里调用函数（过程）时，传参和返回值是怎么实现的呢？ * [21讲](https://time.geekbang.org/column/article/146635)中运行期机制所讲的栈帧，如何通过汇编语言实现？ * 条件语句和循环语句如何实现？ * …… 为此，我策划了一期加餐，针对性地讲解这样几个实际场景，希望帮你加深对汇编语言的理解。 ## 示例1：过程调用和栈帧 这个例子涉及了一个过程调用（相当于C语言的函数调用）。过程调用是汇编程序中的基础结构，它涉及到**栈帧的管理、参数的传递**这两个很重要的知识点。 假设我们要写一个汇编程序，实现下面C语言的功能： ``` /*function-call1.c */ #include int fun1(int a, int b){ int c = 10; return a+b+c; } int main(int argc, char *argv[]){ printf("fun1: %d\n", fun1(1,2)); return 0; } ``` fun1函数接受两个整型的参数：a和b，来看看这两个参数是怎样被传递过去的，手写的汇编代码如下： ``` # function-call1-craft.s 函数调用和参数传递 # 文本段,纯代码 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions _fun1: # 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp # 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp # 把调用者的栈帧顶部地址,设置为本栈帧的底部 subq $4, %rsp # 扩展栈 movl $10, -4(%rbp) # 变量c赋值为10，也可以写成 movl $10, (%rsp) # 做加法 movl %edi, %eax # 第一个参数放进%eax addl %esi, %eax # 把第二个参数加到%eax,%eax同时也是存放返回值的寄存器 addl -4(%rbp), %eax # 加上c的值 addq $4, %rsp # 缩小栈 # 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp # 恢复调用者栈帧的底部数值 retq # 返回 .globl _main # .global伪指令让_main函数外部可见 _main: ## @main # 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp # 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp # 把调用者的栈帧顶部地址,设置为本栈帧的底部 # 设置第一个和第二个参数,分别为1和2 movl $1, %edi movl $2, %esi callq _fun1 # 调用函数 # 为pritf设置参数 leaq L_.str(%rip), %rdi # 第一个参数是字符串的地址 movl %eax, %esi # 第二个参数是前一个参数的返回值 callq _printf # 调用函数 # 设置返回值。这句也常用 xorl %esi, %esi 这样的指令,都是置为零 movl $0, %eax # 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp # 恢复调用者栈帧的底部数值 retq # 返回 # 文本段,保存字符串字面量 .section __TEXT,__cstring,cstring_literals L_.str: ## @.str .asciz "Hello World! :%d \n" ``` **需要注意，**手写的代码跟编译器生成的可能有所不同，但功能是等价的，代码里有详细的注释，你肯定能看明白。 **借用这个例子，我们讲一下栈的管理。**在示例代码的两个函数里，有这样的固定结构： ``` # 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp # 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp # 把调用者的栈帧顶部地址，设置为本栈帧的底部 ... # 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp # 恢复调用者栈帧的底部数值 ``` 在C语言生成的代码中，一般用%rbp寄存器指向栈帧的底部，而%rsp则指向栈帧的顶部。**栈主要是通过push和pop这对指令来管理的：**push把操作数压到栈里，并让%rsp指向新的栈顶，pop把栈顶数据取出来，同时调整%rsp指向新的栈顶。 在进入函数的时候，用pushq %rbp指令把调用者的栈帧地址存起来（根据调用约定保护起来），而把调用者的栈顶地址设置成自己的栈底地址，它等价于下面两条指令，你可以不用push指令，而是运行下面两条指令： ``` subq $8, %rsp #把%rsp的值减8，也就是栈增长8个字节，从高地址向低地址增长 movq %rbp, (%rsp) #把%rbp的值写到当前栈顶指示的内存位置 ``` 而在退出函数前，调用了popq %rbp指令。它恢复了之前保存的栈指针的地址，等价于下面两条指令： ``` movq (%rsp), %rbp #把栈顶位置的值恢复回%rbp，这是之前保存在栈里的值。 addq $8, %rsp #把%rsp的值加8，也就是栈减少8个字节 ``` 上述过程画成一张直观的图，表示如下： ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/45/df/450388ce0b3189fbf263da402bc447df.jpg) 上面每句指令执行以后，我们看看%rbp和%rsp值的变化： ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/1b/6a/1beeb1ded99922d15cc98e7cc3359a6a.jpg) 再来看看使用局部变量的时候会发生什么： ``` subq $4, %rsp # 扩展栈 movl $10, -4(%rbp) # 变量c赋值为10，也可以写成 movl $10, (%rsp) ... addq $4, %rsp # 缩小栈 ``` 我们通过减少%rsp的值，来扩展栈，然后在扩展出来的4个字节的位置上写入整数，这就是变量c的值。在返回函数前，我们通过addq $4, %rsp再把栈缩小。这个过程如下图所示： ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/94/4a/94cf6dbfae7169f6ef01a09e804b7c4a.jpg) 在这个例子中，我们通过移动%rsp指针来改变帧的大小。%rbp和%rsp之间的空间就是当前栈帧。而过程调用和退出过程，分别使用call指令和ret指令。“callq \_fun1”是调用\_fun1过程，这个指令相当于下面两句代码，它用到了栈来保存返回地址： ``` pushq %rip # 保存下一条指令的地址，用于函数返回继续执行 jmp _fun1 # 跳转到函数_fun1 ``` \_fun1函数用ret指令返回，它相当于： ``` popq %rip #恢复指令指针寄存器 jmp %rip ``` 上一讲，我提到，在X86-64架构下，新的规范让程序可以访问栈顶之外128字节的内存，所以，我们甚至不需要通过改变%rsp来分配栈空间，而是直接用栈顶之外的空间。 上面的示例程序，你可以用as命令生成可执行程序，运行一下看看，然后试着做一下修改，逐步熟悉汇编程序的编写思路。 ## 示例2：同时使用寄存器和栈来传参 上一个示例中，函数传参只使用了两个参数，这时是通过两个寄存器传递参数的。这次，我们使用8个参数，来看看通过寄存器和栈传参这两种不同的机制。 在X86-64架构下，有很多的寄存器，所以程序调用约定中规定尽量通过寄存器来传递参数，而且，只要参数不超过6个，都可以通过寄存器来传参，使用的寄存器如下： ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/4d/53/4d066afb9834f2a602bca2010e6edb53.jpg) 超过6个的参数的话，我们要再加上栈来传参： ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/45/89/45587ab64c83ea52f9d1fd3fedc6b189.jpg) 根据程序调用约定的规定，参数1～6是放在寄存器里的，参数7和8是放到栈里的，先放参数8，再放参数7。 在23讲，我会带你为下面的一段playscript程序生成汇编代码： ``` //asm.play int fun1(int x1, int x2, int x3, int x4, int x5, int x6, int x7, int x8){ int c = 10; return x1 + x2 + x3 + x4 + x5 + x6 + x7 + x8 + c; } println("fun1:" + fun1(1,2,3,4,5,6,7,8)); ``` 现在，我们可以按照调用约定，先手工编写一段实现相同功能的汇编代码： ``` # function-call2-craft.s 函数调用和参数传递 # 文本段,纯代码 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions _fun1: # 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp # 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp # 把调用者的栈帧顶部地址,设置为本栈帧的底部 movl $10, -4(%rbp) # 变量c赋值为10,也可以写成 movl $10, (%rsp) # 做加法 movl %edi, %eax # 第一个参数放进%eax addl %esi, %eax # 加参数2 addl %edx, %eax # 加参数3 addl %ecx, %eax # 加参数4 addl %r8d, %eax # 加参数5 addl %r9d, %eax # 加参数6 addl 16(%rbp), %eax # 加参数7 addl 24(%rbp), %eax # 加参数8 addl -4(%rbp), %eax # 加上c的值 # 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp # 恢复调用者栈帧的底部数值 retq # 返回 .globl _main # .global伪指令让_main函数外部可见 _main: ## @main # 函数调用的序曲,设置栈指针 pushq %rbp # 把调用者的栈帧底部地址保存起来 movq %rsp, %rbp # 把调用者的栈帧顶部地址,设置为本栈帧的底部 subq $16, %rsp # 这里是为了让栈帧16字节对齐，实际使用可以更少 # 设置参数 movl $1, %edi # 参数1 movl $2, %esi # 参数2 movl $3, %edx # 参数3 movl $4, %ecx # 参数4 movl $5, %r8d # 参数5 movl $6, %r9d # 参数6 movl $7, (%rsp) # 参数7 movl $8, 8(%rsp) # 参数8 callq _fun1 # 调用函数 # 为pritf设置参数 leaq L_.str(%rip), %rdi # 第一个参数是字符串的地址 movl %eax, %esi # 第二个参数是前一个参数的返回值 callq _printf # 调用函数 # 设置返回值。这句也常用 xorl %esi, %esi 这样的指令,都是置为零 movl $0, %eax addq $16, %rsp # 缩小栈 # 函数调用的尾声,恢复栈指针为原来的值 popq %rbp # 恢复调用者栈帧的底部数值 retq # 返回 # 文本段,保存字符串字面量 .section __TEXT,__cstring,cstring_literals L_.str: ## @.str .asciz "fun1 :%d \n" ``` 用as命令，把这段汇编代码生成可执行文件，运行后会输出结果：“fun1: 46”。 ``` as functio-call2-craft.s -o function-call2 ./function-call2 ``` 这段程序虽然有点儿长，但思路很清晰，比如，每个函数（过程）都有固定的结构。7～10行，我叫做序曲，是设置栈帧的指针；25~26行，我叫做尾声，是恢复栈底指针并返回；13~22行是做一些计算，还要为本地变量在栈里分配一些空间。 **我建议你读代码的时候，**对照着每行代码的注释，弄清楚这条代码所做的操作，以及相关的寄存器和内存中值的变化，脑海里有栈帧和寄存器的直观的结构，就很容易理解清楚这段代码了。 除了函数调用以外，我们在编程时经常使用循环语句和if语句，它们转换成汇编是什么样子呢？我们来研究一下，首先看看while循环语句。 ## 示例3：循环语句的汇编码解析 看看下面这个C语言的语句： ``` void fun1(int a){ while (a < 10){ a++; } } ``` 我们要使用"gcc -S ifstmt.c -o ifstmt.s"命令，把它转换成汇编语句（注意不要带优化参数）： ``` .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .macosx_version_min 10, 15 .globl _fun1 ## -- Begin function fun1 .p2align 4, 0x90 _fun1: ## @fun1 .cfi_startproc ## %bb.0: pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset %rbp, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register %rbp movl %edi, -4(%rbp) #把参数a放到栈里 LBB0_1: ## =>This Inner Loop Header: Depth=1 cmpl $10, -4(%rbp) #比较参数1和立即数10,设置eflags寄存器 jge LBB0_3 #如果大于等于，则跳转到LBB0_3基本块 ## %bb.2: ## in Loop: Header=BB0_1 Depth=1 movl -4(%rbp), %eax #这2行，是给a加1 addl $1, %eax movl %eax, -4(%rbp) jmp LBB0_1 LBB0_3: popq %rbp retq .cfi_endproc ## -- End function .subsections_via_symbols ``` 这段代码的15、16、21行是关键，我解释一下： * 第15行，用cmpl指令，将%edi寄存器中的参数1（即C代码中的参数a）和立即数10做比较，比较的结果会设置EFLAGS寄存器中的相关位。 EFLAGS中有很多位，下图是[Intel公司手册](https://software.intel.com/en-us/download/intel-64-and-ia-32-architectures-sdm-combined-volumes-1-2a-2b-2c-2d-3a-3b-3c-3d-and-4)中对各个位的解释，有的指令会影响这些位的设置，比如cmp指令，有的指令会从中读取信息，比如16行的jge指令： ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/d7/46/d79cff3bef9e77f825ed9866c5dd1146.jpg) * 第16行，jge指令。jge是“jump if greater or equal”的缩写，也就是当大于或等于的时候就跳转。大于等于是从哪知道的呢？就是根据EFLAGS中的某些位计算出来的。 * 第21行，跳转到循环的开始。 在这个示例中，我们看到了jmp（无条件跳转指令）和jge（条件跳转指令）两个跳转指令。条件跳转指令很多，它们分别是基于EFLAGS的状态位做不同的计算，判断是否满足跳转条件，看看下面这张表格： ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/ce/d5/ce52ac9632428550896ce20f958651d5.jpg) 表格中的跳转指令，是基于有符号的整数进行判断的，对于无符号整数、浮点数，还有很多其他的跳转指令。现在你应该体会到，汇编指令为什么这么多了。**好在其助记符都是有规律的，可以看做英文缩写，所以还比较容易理解其含义。** **另外我再强调一下，**刚刚我让你生成汇编时，不要带优化参数，那是因为优化算法很“聪明”，它知道这个循环语句对函数最终的计算结果没什么用，就优化掉了。后面学优化算法时，你会理解这种优化机制。 不过这样做，也会有一个不好的影响，就是代码不够优化。比如这段代码把参数1拷贝到了栈里，在栈里做运算，而不是直接基于寄存器做运算，这样性能会低很多，这是没有做寄存器优化的结果。 ## 示例4：if语句的汇编码解析 循环语句看过了，if语句如何用汇编代码实现呢？ 看看下面这段代码： ``` int fun1(int a){ if (a > 10){ return 4; } else{ return 8; } } ``` 把上面的C语言代码转换成汇编代码如下： ``` .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .macosx_version_min 10, 15 .globl _fun1 ## -- Begin function fun1 .p2align 4, 0x90 _fun1: ## @fun1 .cfi_startproc ## %bb.0: pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset %rbp, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register %rbp movl %edi, -8(%rbp) cmpl $10, -8(%rbp) #将参数a与10做比较 jle LBB0_2 #小于等于的话就调转到LBB0_2基本块 ## %bb.1: movl $4, -4(%rbp) #否则就给a赋值为4 jmp LBB0_3 LBB0_2: movl $8, -4(%rbp) #给a赋值为8 LBB0_3: movl -4(%rbp), %eax #设置返回值 popq %rbp retq .cfi_endproc ## -- End function .subsections_via_symbols ``` 了解了条件跳转指令以后，再理解上面的代码容易了很多。还是先做比较，设置EFLAGS中的位，然后做跳转。 ## 示例5：浮点数的使用 之前我们用的例子都是采用整数，现在使用浮点数来做运算，看看会有什么不同。 看看下面这段代码： ``` float fun1(float a, float b){ float c = 2.0; return a + b + c; } ``` 使用-O2参数，把C语言的程序编译成汇编代码如下： ``` .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .macosx_version_min 10, 15 .section __TEXT,__literal4,4byte_literals .p2align 2 ## -- Begin function fun1 LCPI0_0: .long 1073741824 ## float 2 常量 .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .globl _fun1 .p2align 4, 0x90 _fun1: ## @fun1 .cfi_startproc ## %bb.0: pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset %rbp, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register %rbp addss %xmm1, %xmm0 #浮点数传参用XMM寄存器，加法用addss指令 addss LCPI0_0(%rip), %xmm0 #把常量2.0加到xmm0上，xmm0保存返回值 popq %rbp retq .cfi_endproc ## -- End function .subsections_via_symbols ``` 这个代码的结构你应该熟悉了，栈帧的管理方式都是一样的，都要维护%rbp和%rsp。不一样的地方，有几个地方： * 传参。给函数传递浮点型参数，是要使用XMM寄存器。 * 指令。浮点数的加法运算，使用的是addss指令，它用于对单精度的标量浮点数做加法计算，这是一个SSE1指令。SSE1是一组指令，主要是对单精度浮点数(比如C或Java语言中的float)进行运算的，而SSE2则包含了一些双精度浮点数（比如C或Java语言中的double）的运算指令。 * 返回值。整型返回值是放在%eax寄存器中，而浮点数返回值是放在xmm0寄存器中的。调用者可以从这里取出来使用。 ## 课程小结 利用本节课的加餐，我带你把编程中常见的一些场景，所对应的汇编代码做了一些分析。你需要记住的要点如下： * 函数调用时，会使用寄存器传参，超过6个参数时，还要再加上栈，这都是遵守了调用约定。 * 通过push、pop指令来使用栈，栈与%rbp和%rsp这两个指针有关。你可以图形化地记住栈的增长和回缩的过程。需要注意的是，是从高地址向低地址走，所以访问栈里的变量，都是基于%rbp来减某个值。使用%rbp前，要先保护起来，别破坏了调用者放在里面的值。 * 循环语句和if语句的秘密在于比较指令和有条件跳转指令，它们都用到了EFLAGS寄存器。 * 浮点数的计算要用到MMX寄存器，指令也有所不同。 通过这次加餐，你会更加直观地了解汇编语言，接下来的课程中，我会带你尝试通过翻译AST自动生成这些汇编代码，让你直观理解编译器生成汇编码的过程。 ## 一课一思 你了解到哪些地方会使用汇编语言编程？有没有一些比较有意思的场景？是否实现了一些普通高级语言难以实现的结果？欢迎在留言区分享你的经验。 最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。