# 第二章 Hello,world! 让我们用最著名的代码例子开始吧： ``` #!cpp #include <stdio.h> int main() { printf("hello, world"); return 0; }; ``` ## 2.1 x86 ### 2.1.1 MSVC-x86 在MSVC 2010中编译一下： ``` #!bash cl 1.cpp /Fa1.asm ``` （/Fa 选项表示生产汇编列表文件） ``` #!bash CONST SEGMENT $SG3830 DB 'hello, world', 00H CONST ENDS PUBLIC _main EXTRN _printf:PROC ; Function compile flags: /Odtp _TEXT SEGMENT _main PROC push ebp mov ebp, esp push OFFSET $SG3830 call _printf add esp, 4 xor eax, eax pop ebp ret 0 _main ENDP _TEXT ENDS ``` MSVC生成的是Intel汇编语法。Intel语法与AT&T语法的区别将在后面讨论。 编译器会把1.obj文件连接成1.exe。 在我们的例子当中，文件包含两个部分：CONST（放数据）和_TEXT（放代码）。 字符串“hello,world”在 C/C++ 类型为`const char*`，然而他没有自己的名称。 编译器需要处理这个字符串，就自己给他定义了一个$SG3830。 所以例子可以改写为： ``` #!cpp #include <stdio.h> const char *$SG3830="hello, world"; int main() { printf($SG3830); return 0; }; ``` 我们回到汇编列表，正如我们看到的，字符串是由0字节结束的，这也是 C/C++的标准。 在代码部分，`_TEXT`，只有一个函数：main()。 函数main()与大多数函数一样都有开始的代码与结束的代码。 函数当中的开始代码结束以后，调用了printf()函数：`CALL _printf`。 在PUSH指令的帮助下，我们问候语字符串的地址（或指向它的指针）在被调用之前存放在栈当中。 当printf()函数执行完返回到main()函数的时候，字符串地址(或指向它的指针)仍然在堆栈中。 当我们都不再需要它的时候，堆栈指针（ESP寄存器）需要改变。 ``` #!bash ADD ESP, 4 ``` 意思是ESP寄存器加4。 为什么是4呢？由于是32位的代码，通过栈传送地址刚好需要4个字节。 在64位系统当中它是8字节。 “`ADD ESP, 4`” 实际上等同于“`POP register`”。 一些编辑器（如Intel C++编译器）在同样的情况下可能会用 POP ECX代替ADD（例如这样的模式可以在Oracle RDBMS代码中看到，因为它是由Intel C++编译器编译的），这条指令的效果基本相同，但是ECX的寄存器内容会被改写。 Intel C++编译器可能用`POP ECX`，因为这比`ADD ESP, X`需要的字节数更短，（1字节对应3字节）。 在调用printf()之后，在C/C++代码之后执行`return 0`，return 0是main()函数的返回结果。 代码被编译成指令 `XOR EAX, EAX` XOR事实上就是异或，但是编译器经常用它来代替 `MOV EAX, 0` 原因就是它需要的字节更短（2字节对应5字节）。 有些编译器用`SUB EAX, EAX` 就是EXA的值减去EAX，也就是返回0。 最后的指令RET 返回给调用者，他是C/C++代码吧控制返还给操作系统。 ### 2.1.2 GCC-x86 现在我们尝试同样的C/C++代码在linux中的GCC 4.4.1编译 ``` #!bash gcc 1.c -o 1 ``` 下一步，在IDA反汇编的帮助下，我们看看main()函数是如何被创建的。 （IDA，与MSVC一样，也是显示Intel语法）。 我也可以是GCC生成Intel语法的汇编代码，添加参数 ``` #!bash -S -masm=intel ``` 汇编代码： ``` #!bash main proc near var_10 = dword ptr -10h push ebp mov ebp, esp and esp, 0FFFFFFF0h sub esp, 10h mov eax, offset aHelloWorld ; "hello, world" mov [esp+10h+var_10], eax call _printf mov eax, 0 leave retn main endp ``` 结果几乎是相同的，“hello,world”字符串地址（保存在data段的）一开始保存在EAX寄存器当中，然后保存到栈当中。 同样的在函数开始我们看到了 ``` AND ESP, 0FFFFFFF0h ``` 这条指令该指令对齐在16字节边界在ESP寄存器中的值。这导致堆栈对准的所有值。 `SUB ESP，10H`在栈上分配16个字节。 这里其实只需要4个字节。 这是因为，分配堆栈的大小也被排列在一个16字节的边界。 该字符串的地址（或这个字符串指针），不使用PUSH??指令，直接写入到堆栈空间。 var_10，是一个局部变量，也是printf()的参数。 ?然后调用printf()函数。 不像MSVC，当gcc编译不开启优化，它使用MOV EAX，0清空EAX，而不是更短的代码。 最后一条指令，LEAVE相当于MOV ESP，EBP和POP EBP两条指令。 换句话说，这相当于指令将堆栈指针（ESP）恢复，EBP寄存器到其初始状态。 这是必须的，因为我们在函数的开头修改了这些寄存器的值（ESP和EBP）（执行MOV EBP，ESP/AND ESP...）。 ### 2.1.3 GCC:AT&T 语法 我们来看一看在AT&T当中的汇编语法，这个语法在UNIX当中更普遍。 ``` #!bash gcc -S 1_1.c ``` 我们将得到这个： ``` #!bash .file "1_1.c" .section .rodata .LC0: .string "hello, world" .text .globl main .type main, @function main: .LFB0: .cfi_startproc pushl %ebp .cfi_def_cfa_offset 8 .cfi_offset 5, -8 movl %esp, %ebp .cfi_def_cfa_register 5 andl $-16, %esp subl $16, %esp movl $.LC0, (%esp) call printf movl $0, %eax leave .cfi_restore 5 .cfi_def_cfa 4, 4 ret .cfi_endproc .LFE0: .size main, .-main .ident "GCC: (Ubuntu/Linaro 4.7.3-1ubuntu1) 4.7.3" .section .note.GNU-stack,"",@progbits ``` 有很多的宏（用点开始）。现在为了简单起见，我们先不看这些。（除了 .string ，就像一个C字符串编码一个null结尾的字符序列）。然后，我们将看到这个： ``` #!bash .LC0: .string "hello, world" main: pushl %ebp movl %esp, %ebp andl $-16, %esp subl $16, %esp movl $.LC0, (%esp) call printf movl $0, %eax leave ret ``` 在Intel与AT&T语法当中比较重要的区别就是： 操作数写在后面 ``` 在Intel语法中：<instruction> <destination operand> <source operand> 在AT&T语法中：<instruction> <source operand> <destination operand> ``` 有一个理解它们的方法: 当你面对intel语法的时候，你可以想象把等号放到2个操作数中间，当面对AT&T语法的时候，你可以放一个右箭头(→）到两个操作数之间。 AT&T: 在寄存器名之前需要写一个百分号(%)并且在数字前面需要美元符($)。方括号被圆括号替代。 AT&T: 一些用来表示数据形式的特殊的符号 ``` l long(32 bits) w word(16bits) b byte(8 bits) ``` 让我们回到上面的编译结果：它和在IDA里看到的是一样的。只有一点不同：0FFFFFFF0h 被写成了$-16，但这是一样的，10进制的16在16进制里表示为0x10。-0x10就等同于0xFFFFFFF0(这是针对于32位构架)。 外加返回值这里用的MOV来设定为0，而不是用XOR。MOV仅仅是加载（load）了变量到寄存器。指令的名称并不直观。在其他的构架上，这条指令会被称作例如”load”这样的。 ## 2.2 x86-64 ### 2.2.1 MSVC-x86-64 让我们来试试64-bit的MSVC： ``` #!bash $SG2989 DB ’hello, world’, 00H main PROC sub rsp, 40 lea rcx, OFFSET FLAT:$SG2923 call printf xor eax, eax add rsp, 40 ret 0 main ENDP ``` 在x86-64里，所有被扩展到64位的寄存器都有R-前缀。并且尽量不用栈来传递函数的参数了，大量使用寄存器来传递参数，非常类似于fastcall。 在win64里，RCX,RDX,R8,R9寄存器被用来传递函数参数，如果还有更多就使用栈，在这里我们可以看到printf()函数的参数没用通过栈来传递，而是使用了rcx。 让我们针对64位来看，作为64位寄存器会有R-前缀，并且这些寄存器向下兼容，32位的部分使用E-前缀。 如下图所示，这是RAX/EAX/AX/AL在64位x86兼容cpu里的情况 ?  在main()函数会返回一个int类型的值，在64位的程序里为了兼容和移植性，还是用32位的，所以可以看到EAX（寄存器的低32位部分）在函数最后替代RAX被清空成0。 ### 2.2.2 GCC-x86-64 这次试试GCC在64位的Linux里： ``` #!bash .string "hello, world" main: sub rsp, 8 mov edi, OFFSET FLAT:.LC0 ; "hello, world" xor eax, eax ; number of vector registers passed call printf xor eax, eax add rsp, 8 ret ``` 在Linux,*BSD和Mac OS X里使用同一种方式来传递函数参数。头6个参数使用`RDI,RSI,RDX,RCX,R8,R9`来传递的，剩下的要靠栈。 所以在这个程序里，字串的指针被放到EDI（RDI的低32位部）。为什么不是64位寄存器RDI那？ 这是一个重点，在64位模式下，对低32位进行操作的时候，会清空高32位的内容。比如 MOV EAX，011223344h将会把值写到RAX里，并且清空RAX的高32位区域。 如果我们打开编译好的对象文件(object file(.o)),我们会看到所有的指令： Listing 2.8：GCC 4.4.6 x64 ``` #!bash .text:00000000004004D0 main proc near .text:00000000004004D0 48 83 EC 08 sub rsp, 8 .text:00000000004004D4 BF E8 05 40 00 mov edi, offset format ; "hello, world" .text:00000000004004D9 31 C0 xor eax, eax .text:00000000004004DB E8 D8 FE FF FF call _printf .text:00000000004004E0 31 C0 xor eax, eax .text:00000000004004E2 48 83 C4 08 add rsp, 8 .text:00000000004004E6 C3 retn .text:00000000004004E6 main endp ``` 就像看到的那样，在04004d4那行给edi写字串指针的那句花了5个bytes。如果把这句换做给rdi写指针，会花掉7个bytes.就是说GCC在试图节省空间，为此数据段(data segment)中包含的字串不会被分配到高于4GB地址的空间上。 可以看到在printf()函数调用前eax被清空了，这样做事因为要eax被用作传递向量寄存器(vector registers)的个数。 参考【21】 MichaelMatz/JanHubicka/AndreasJaeger/MarkMitchell. Systemvapplicationbinaryinterface.amdarchitecture processor supplement, . Also available as http://x86-64.org/documentation/abi.pdf. ## 2.3 ARM 根据作者自身对ARM处理器的经验，选择了2款在嵌入式开发流行的编译器，Keil Release 6/2013和苹果的Xcode 4.6.3 IDE(其中使用了LLVM-GCC4.2编译器)，这些可以为ARM兼容处理器和系统芯片(System on Chip)(SOC))来进行编码。比如ipod/iphone/ipad,windows8 rt,并且包括raspberry pi。 ### 2.3.1 未进行代码优化的Keil编译：ARM模式 让我们在Keil里编译我们的例子 ``` #!bash armcc.exe –arm –c90 –O0 1.c ``` armcc编译器可以生成intel语法的汇编程序列表，但是里面有高级的ARM处理器相关的宏，对我们来讲更希望看到的是IDA反汇编之后的结果。 ``` Listing 2.9: Non-optimizing Keil + ARM mode + IDA #!bash .text:00000000 main .text:00000000 10 40 2D E9 STMFD SP!, {R4,LR} .text:00000004 1E 0E 8F E2 ADR R0, aHelloWorld ; "hello, world" .text:00000008 15 19 00 EB BL __2printf .text:0000000C 00 00 A0 E3 MOV R0, #0 .text:00000010 10 80 BD E8 LDMFD SP!, {R4,PC} .text:000001EC 68 65 6C 6C+aHelloWorld DCB "hello, world",0 ; DATA XREF: main+4 ``` 针对ARM处理器，我们需要预备一点知识，要知道ARM处理器至少有2种模式：ARM模式和thumb模式，在ARM模式下，所有的指令都被激活并且都是32位的。在thumb模式下所有的指令都是16位的。Thumb模式比较需要注意，因为程序可能需要更为紧凑，或者当微处理器用的是16位内存地址时会执行的更快。但也存在缺陷，在thumb模式下可用的指令没ARM下多，只有8个寄存器可以访问，有时候ARM模式下一条指令就能解决的问题，thumb模式下需要多个指令来完成。 从ARMv7开始引入了thumb-2指令集。这是一个加强的thumb模式。拥有了更多的指令，通常会有误解，感觉thumb-2是ARM和thumb的混合。Thumb-2加强了处理器的特性，并且媲美ARM模式。程序可能会混合使用2种模式。其中大量的ipod/iphone/ipad程序会使用thumb-2是因为Xcode将其作为了默认模式。 在例子中，我们可以发现所有指令都是4bytes的，因为我们编译的时候选择了ARM模式，而不是thumb模式。 最开始的指令是”`STMFD SP!, {R4, LR}`”，这条指令类似x86平台的PUSH指令，会写2个寄存器（R4和LR）的变量到栈里。不过在armcc编译器里输出的汇编列表里会写成”PUSH {R4, LR}”，但这并不准确，因为PUSH命令只在thumb模式下有，所以我建议大家注意用IDA来做反汇编工具。 这指令开始会减少SP的值，已加大栈空间，并且将R4和LR写入分配好的栈里。 这条指令（类似于PUSH的STMFD）允许一次压入好几个值，非常实用。有一点跟x86上的PUSH不同的地方也很赞，就是这条指令不像x86的PUSH只能对sp操作，而是可以指定操作任意的寄存器。 “ADR R0, aHelloWorld”这条指令将PC寄存器的值与”hello, world”字串的地址偏移相加放入R0，为什么说要PC参与这个操作那？这是因为代码是PIC（position-independet code）的，这段代码可以独立在内存运行，而不需要更改内存地址。ADR这条指令中，指令中字串地址和字串被放置的位置是不同的。但变化是相对的，这要看系统是如何安排字串放置的位置了。这也就说明了，为何每次获取内存中字串的绝对地址，都要把这个指令里的地址加上PC寄存器里的值了。 ”`BL __2print`”这条指令用于调用printf()函数，这是来说下这条指令时如何工作的： ``` 将BL指令（0xC）后面的地址写入LR寄存器； 然后把printf()函数的入口地址写入PC寄存器，进入printf()函数。 ``` 当printf()函数完成之后，函数会通过LR寄存器保存的地址，来进行返回操作。 函数返回地址的存放位置也正是“纯”RISC处理器（例如：ARM）和CISC处理器(例如x86)的区别。 另外，一个32位地址或者偏移不能被编码到BL指令里，因为BL指令只有24bits来存放地址，所有的ARM模式下的指令都是4bytes（32bits）,所以一条指令里不能放满4bytes的地址，这也就意味着最后2bits总会被设置成0，总的来说也就是有26bits的偏移（包括了最后2个bit一直被设为0）会被编码进去。这也够去访问大约±32M的了。 下面我们来看“MOV R0， #0“这条语句，这条语句就是把0写到了R0寄存器里，这是因为C函数返回了0，返回值当然是放在R0里的。 最后一条指令是”LDMFD SP!, R4,PC“，这条指令的作用跟开始的那条STMFD正好相反，这条指令将栈上的值保存到R4和PC寄存器里，并且增加SP栈寄存器的值。这非常类似x86平台里的POP指令。最前面那条STMFD指令成对保存了R4，和LR寄存器，LDMFD的时候将当时这两个值保存到了R4和PC里完成了函数的返回。 我前面也说过，函数的返回地址会保存到LD寄存器里。在函数的最开始会把他保存到栈里，这是因为main()函数里还需要调用printf()函数，这个时候就会影响LD寄存器。在函数的最后就会将LD拿出栈放入PC寄存器里，完成函数的返回操作。最后C/C++程序的main()函数会返回到类似系统加载器上或者CRT里面。 汇编代码里的DCB关键字用来定义ASCII字串数组，就像x86汇编里的DB关键字。 ### 2.3.2未进行代码优化的Keil编译： thumb模式 让我们用下面的指令讲例程用Keil的thumb模式来编译一下。 ``` #!bash armcc.exe –thumb –c90 –O0 1.c ``` 我们可以在IDA里得到下面这样的代码： Listing 2.10:Non-optimizing Keil + thumb mode + IDA ``` #!bash .text:00000000 main .text:00000000 10 B5 PUSH {R4,LR} .text:00000002 C0 A0 ADR R0, aHelloWorld ; "hello, world" .text:00000004 06 F0 2E F9 BL __2printf .text:00000008 00 20 MOVS R0, #0 .text:0000000A 10 BD POP {R4,PC} .text:00000304 68 65 6C 6C+aHelloWorld DCB "hello, world",0 ; DATA XREF: main+2 ``` 我们首先就能注意到指令都是2bytes(16bits)的了，这正是thumb模式的特征，BL指令作为特例是2个16bits来构成的。只用16bits没可能加载printf()函数的入口地址到PC寄存器。所以前面的16bits用来加载函数偏移的高10bits位，后面的16bits用来加载函数偏移的低11bits位，正如我说过的，所有的thumb模式下的指令都是2bytes(16bits)。但是这样的话thumb指令就没法使用更大的地址。就像上面那样，最后一个bits的地址将会在编码指令的时候省略。总的来讲，BL在thumb模式下可以访问自身地址大于±2M大的周边的地址。 至于其他指令:PUSH和POP，它们跟上面讲到的STMFD跟LDMFD很类似，但这里不需要指定SP寄存器，ADR指令也跟上面的工作方式相同。MOVS指令将函数的返回值0写到了R0里，最后函数返回。 ### 2.3.3开启代码优化的Xcode（LLVM）编译： ARM模式 Xcode 4.6.3不开启代码优化的情况下，会产生非常多冗余的代码，所以我们学习一个尽量小的版本。 开启-O3编译选项 ``` #!bash Listing2.11：Optimizing Xcode(LLVM)+ARM mode __text:000028C4 _hello_world __text:000028C4 80 40 2D E9 STMFD SP!, {R7,LR} __text:000028C8 86 06 01 E3 MOV R0, #0x1686 __text:000028CC 0D 70 A0 E1 MOV R7, SP __text:000028D0 00 00 40 E3 MOVT R0, #0 __text:000028D4 00 00 8F E0 ADD R0, PC, R0 __text:000028D8 C3 05 00 EB BL _puts __text:000028DC 00 00 A0 E3 MOV R0, #0 __text:000028E0 80 80 BD E8 LDMFD SP!, {R7,PC} __cstring:00003F62 48 65 6C 6C+aHelloWorld_0 DCB "Hello world!",0 ``` STMFD和LDMFD对我们来说已经非常熟悉了。 MOV指令就是将0x1686写入R0寄存器里。这个值也正是字串”Hello world！”的指针偏移。 R7寄存器里放入了栈地址，我们继续。 MOVT R0， #0指令时将R0的高16bits写入0。这是因为普通情况下MOV这条指令在ARM模式下，只对低16bits进行操作。需要记住的是所有在ARM模式下的指令都被限定在32bits内。当然这个限制并不影响2个寄存器直接的操作。这也是MOVT这种写高16bits指令存在的意义。其实这样写的代码会感觉有点多余，因为”`MOVS R0，#0x1686`”这条指令也能把高16位清0。或许这就是相对于人脑来说编译器的不足。 “`ADD R0，PC，R0`“指令把R0寄存器的值与PC寄存器的值进行相加并且保存到R0寄存器里面，用来计算”Hello world!”这个字串的绝对地址。上面已经介绍过了，这是因为代码是PIC(Position-independent code)的，所以这里需要这么做。 BL指令用来调用printf()的替代函数puts()函数。 GCC将printf（）函数替换成了puts()。因为printf()函数只有一个参数的时候跟puts()函数是类似的。 printf()函数的字串参数里存在特殊控制符（例如 ”%s”,”\n” ，需要注意的是，程序里字串里没有“\n”，因为在puts()函数里这是不需要的）的时候，两个函数的功效就会不同。 为什么编译器会替换printf()到puts()那？因为puts()函数更快。 puts()函数效率更快是因为它只是做了字串的标准输出(stdout)并不用比较%符号。 下面，我们可以看到非常熟悉的”MOV R0, #0”指令，用来将R0寄存器设为0。 ### 2.3.4 开启代码优化的Xcode(LLVM)编译thumb-2模式 在默认情况下，Xcode4.6.3会生成如下的thumb-2代码 Listing 2.12:Optimizing Xcode(LLVM)+thumb-2 mode ``` #!bash __text:00002B6C _hello_world __text:00002B6C 80 B5 PUSH {R7,LR} __text:00002B6E 41 F2 D8 30 MOVW R0, #0x13D8 __text:00002B72 6F 46 MOV R7, SP __text:00002B74 C0 F2 00 00 MOVT.W R0, #0 __text:00002B78 78 44 ADD R0, PC __text:00002B7A 01 F0 38 EA BLX _puts __text:00002B7E 00 20 MOVS R0, #0 __text:00002B80 80 BD POP {R7,PC} ... __cstring:00003E70 48 65 6C 6C 6F 20+aHelloWorld DCB "Hello world!",0xA,0 ``` BL和BLX指令在thumb模式下情况需要我们回忆下刚才讲过的，它是由一对16-bit的指令来构成的。在thumb-2模式下这条指令跟thumb一样被编码成了32-bit指令。非常容易观察到的是，thumb-2的指令的机器码也是从0xFx或者0xEx的。对于thumb和thumb-2模式来说，在IDA的结果里机器码的位置和这里是交替交换的。对于ARM模式来说4个byte也是反向的，这是因为他们用了不同的字节序。所以我们可以知道，MOVW，MOVT.W和BLX这几个指令的开始都是0xFx。 在thumb-2指令里有一条是”MOVW R0, #0x13D8”,它的作用是写数据到R0的低16位里面。 “`MOVT.W R0, #0`”的作用类似与前面讲到的MOVT指令，但它可以工作在thumb-2模式下。 还有些跟上面不同的地方，比如BLX指令替代了上面用到的BL指令，这条指令不仅将控制puts()函数返回的地址放入了LR寄存器里，并且讲代码从thumb模式转换到了ARM模式（或者ARM转换到thumb（根据现有情况判断））。这条指令跳转到下面这样的位置（下面的代码是ARM编码模式）。 ``` #!bash __symbolstub1:00003FEC _puts ; CODE XREF: _hello_world+E __symbolstub1:00003FEC 44 F0 9F E5 LDR PC, =__imp__puts ``` 可能会有细心的读者要问了:为什么不直接跳转到puts()函数里面去？ 因为那样做会浪费内存空间。 很多程序都会使用额外的动态库(dynamic libraries)(Windows里面的DLL，还有*NIX里面的.so，MAC OS X里面的.dylib),通常使用的库函数会被放入动态库中，当然也包括标准C函数puts()。 在可执行的二进制文件里(Windows的PE里的.exe文件，ELF和Mach-O文件)都会有输入表段。它是一个用来引入额外模块里模块名称和符号（函数或者全局变量）的列表。 系统加载器（OS loader）会加载所有需要的模块，当在主模块里枚举输入符号的时候，会把每个符号正确的地址与相应的符号确立起来。 在我们的这个例子里，`__imp__puts`就是一个系统加载器加载额外模块的32位的地址值。LDR指令只需要把这个值加载到PC里面去，就可以控制程序流程到puts()函数里去。 所以只需要在系统加载器里的时候，一次性的就能将每个符号所对应的地址确定下来，这是个提高效率的好方式。 外加，我们前面也指出过，我们没办法只用一条指令并且不做内存操作的情况下就将一个32bit的值保存到寄存器里，ARM并不是唯一的模式的情况下，程序里去跳入动态库中的某个函数里，最好的办法就是这样做一些类似与上面这样单一指令的函数（称做thunk function），然后从thumb模式里也能去调用。 在上面的例子（ARM编译的那个例子）中BL指令也是跳转到了同一个thunk function里。尽管没有进行模式的转变（所以指令里不存在那个”X”）。