# 第12章 循环结构 ## 12.1 x86 在x86指令集中，有一些独特的LOOP指令，它们会检查ECX中的值，如果它不是0的话，它会逐渐递减ECX的值（减一），然后把控制流传递给LOOP操作符提供的标签处。也许，这个指令并不是多方便，所以，我没有看到任何现代编译器自动使用它。如果你看到哪里的代码用了这个结构，那它很有可能是程序员手写的汇编代码。 顺带一提，作为家庭作业，你可以试着解释以下为什么这个指令如此不方便。 C/C++循环操作是由for()、while()、do/while()命令发起的。 让我们从for()开始吧。 这个命令定义了循环初始值（为循环计数器设置初值），循环条件（比如，计数器是否大于一个阈值？），以及在每次迭代（增/减）时和循环体中做什么。 ``` for (初始化； 条件； 每次迭代时执行的语句) ｛ 循环体； ｝ ``` 所以，它生成的代码也将被考虑为4个部分。 让我们从一个简单的例子开始吧： ``` #!cpp #include <stdio.h> void f(int i) { printf ("f(%d) ", i); }; int main() { int i; for (i=2; i<10; i++) f(i); return 0; }; ``` 反汇编结果如下（MSVC 2010）： 清单12.1: MSVC 2010 ``` #!bash _i$ = -4 _main PROC push ebp mov ebp, esp push ecx mov DWORD PTR _i$[ebp], 2 ; loop initialization jmp SHORT $LN3@main $LN2@main: mov eax, DWORD PTR _i$[ebp] ; here is what we do after each iteration: add eax, 1 ; add 1 to i value mov DWORD PTR _i$[ebp], eax $LN3@main: cmp DWORD PTR _i$[ebp], 10 ; this condition is checked *before* each iteration jge SHORT $LN1@main ; if i is biggest or equals to 10, let’s finish loop mov ecx, DWORD PTR _i$[ebp] ; loop body: call f(i) push ecx call _f add esp, 4 jmp SHORT $LN2@main ; jump to loop begin $LN1@main: ; loop end xor eax, eax mov esp, ebp pop ebp ret 0 _main ENDP ``` 看起来没什么特别的。 GCC 4.4.1生成的代码也基本相同，只有一些微妙的区别。 清单12.1: GCC 4.4.1 ``` #!bash main proc near ; DATA XREF: _start+17 var_20 = dword ptr -20h var_4 = dword ptr -4 push ebp mov ebp, esp and esp, 0FFFFFFF0h sub esp, 20h mov [esp+20h+var_4], 2 ; i initializing jmp short loc_8048476 loc_8048465: mov eax, [esp+20h+var_4] mov [esp+20h+var_20], eax call f add [esp+20h+var_4], 1 ; i increment loc_8048476: cmp [esp+20h+var_4], 9 jle short loc_8048465 ; if i<=9, continue loop mov eax, 0 leave retn main endp ``` 现在，让我们看看如果我们打开了优化开关会得到什么结果（/Ox）： 清单12.3: 优化后的 MSVC ``` #!bash _main PROC push esi mov esi, 2 $LL3@main: push esi call _f inc esi add esp, 4 cmp esi, 10 ; 0000000aH jl SHORT $LL3@main xor eax, eax pop esi ret 0 _main ENDP ``` 要说它做了什么，那就是：本应在栈上分配空间的变量i被移动到了寄存器ESI里面。因为我们这样一个小函数并没有这么多的本地变量，所以它才可以这么做。 这么做的话，一个重要的条件是函数f（）不能改变ESI的值。我们的编译器在这里倒是非常确定。假设编译器决定在f（）中使用ESI寄存器的话，ESI的值将在函数的初始化阶段被压入栈保存，并且在函数的收尾阶段将其弹出（注：即还原现场，保证程序片段执行前后某个寄存器值不变）。这个操作有点像函数开头和结束时的PUSH ESI/ POP ESI操作对。 让我们试一试开启了最高优化的GCC 4.4.1（-03优化）。 清单12.4: 优化后的GCC 4.4.1 ``` #!bash main proc near var_10 = dword ptr -10h push ebp mov ebp, esp and esp, 0FFFFFFF0h sub esp, 10h mov [esp+10h+var_10], 2 call f mov [esp+10h+var_10], 3 call f mov [esp+10h+var_10], 4 call f mov [esp+10h+var_10], 5 call f mov [esp+10h+var_10], 6 call f mov [esp+10h+var_10], 7 call f mov [esp+10h+var_10], 8 call f mov [esp+10h+var_10], 9 call f xor eax, eax leave retn main endp ``` GCC直接把我们的循环给分解成顺序结构了。 循环分解（Loop unwinding）对这些没有太多迭代次数的循环结构来说是比较有利的，移除所有循环结构之后程序的效率会得到提升。但是，这样生成的代码明显会变得很大。 好的，现在我们把循环的最大值改为100。GCC现在生成如下： 清单12.5: GCC ``` #!bash public main main proc near var_20 = dword ptr -20h push ebp mov ebp, esp and esp, 0FFFFFFF0h push ebx mov ebx, 2 ; i=2 sub esp, 1Ch nop ; aligning label loc_80484D0 (loop body begin) by 16-byte border loc_80484D0: mov [esp+20h+var_20], ebx ; pass i as first argument to f() add ebx, 1 ; i++ call f cmp ebx, 64h ; i==100? jnz short loc_80484D0 ; if not, continue add esp, 1Ch xor eax, eax ; return 0 pop ebx mov esp, ebp pop ebp retn main endp ``` 这时，代码看起来非常像MSVC 2010开启/Ox优化后生成的代码。除了这儿它用了EBX来存储变量i。 GCC也确信f（）函数中不会修改EBX的值，假如它要用到EBX的话，它也一样会在函数初始化和收尾时保存EBX和还原EBX，就像这里main（）函数做的事情一样。 ### 12.1.1 OllyDbg 让我们通过/Ox和/Ob0编译程序，然后放到OllyDbg里面查看以下结果。 看起来OllyDbg能够识别简单的循环，然后把它们放在一块，为了演示方便，大家可以看图12.1。 通过跟踪代码（F8， 步过）我们可以看到ESI是如何递增的。这里的例子是ESI = i = 6： 图12.2。 9是i的最后一个循环制，这也就是为什么JL在递增的最后不会触发，之后函数结束，如图12.3。  图12.1： OllyDbg main（）开始  图12.2： OllyDbg： 循环体刚刚递增了i，现在i=6  图12.3： OllyDbg中ESI=10，循环终止 ### 12.1.2 跟踪 像我们所见的一样，手动在调试器里面跟踪代码并不是一件方便的事情。这也就是我给自己写了一个跟踪程序的原因。 我在IDA中打开了编译后的例子，然后找到了PUSH ESI指令（作用：给f（）传递唯一的参数）的地址，对我的机器来说是0x401026，然后我运行了跟踪器： ``` #!bash tracer.exe -l:loops_2.exe bpx=loops_2.exe!0x00401026 ``` BPX的作用只是在对应地址上设置断点然后输出寄存器状态。 在tracer.log中我看到执行后的结果： ``` #!bash PID=12884|New process loops_2.exe (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00a328c8 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0f4714 EDX=0x00000000 ESI=0x00000002 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=PF ZF IF (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00000005 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0a5617 EDX=0x000ee188 ESI=0x00000003 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=CF PF AF SF IF (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00000005 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0a5617 EDX=0x000ee188 ESI=0x00000004 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=CF PF AF SF IF (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00000005 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0a5617 EDX=0x000ee188 ESI=0x00000005 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=CF AF SF IF (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00000005 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0a5617 EDX=0x000ee188 ESI=0x00000006 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=CF PF AF SF IF (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00000005 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0a5617 EDX=0x000ee188 ESI=0x00000007 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=CF AF SF IF (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00000005 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0a5617 EDX=0x000ee188 ESI=0x00000008 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=CF AF SF IF (0) loops_2.exe!0x401026 EAX=0x00000005 EBX=0x00000000 ECX=0x6f0a5617 EDX=0x000ee188 ESI=0x00000009 EDI=0x00333378 EBP=0x0024fbfc ESP=0x0024fbb8 EIP=0x00331026 FLAGS=CF PF AF SF IF PID=12884|Process loops_2.exe exited. ExitCode=0 (0x0) ``` 我们可以看到ESI寄存器是如何从2变为9的。 甚至于跟踪器可以收集某个函数调用内所有寄存器的值，所以它被叫做跟踪器（a trace）。每个指令都会被它跟踪上，所有感兴趣的寄存器值都会被它提示出来，然后收集下来。 然后可以生成IDA能用的.idc-script。所以，在IDA中我知道了main()函数地址是0x00401020，然后我执行了： ``` #!bash tracer.exe -l:loops_2.exe bpf=loops_2.exe!0x00401020,trace:cc ``` bpf的意思是在函数上设置断点。 结果是我得到了loops_2.exe.idc和loops_2.exe_clear.idc两个脚本。我加载loops_2.idc到IDA中，然后可以看到图12.4所示的内容。 我们可以看到ESI在循环体开始时从2变化为9，但是在递增完之后，它的值从9（译注：作者原文是3，但是揣测是笔误，应为9。）变为了0xA（10）。我们也可以看到main（）函数结束时EAX被设置为了0。 编译器也生成了loops_2.exe.txt，包含有每个指令执行了多少次和寄存器值的一些信息： 清单12.6: loops_2.exe.txt ``` #!bash 0x401020 (.text+0x20), e= 1 [PUSH ESI] ESI=1 0x401021 (.text+0x21), e= 1 [MOV ESI, 2] 0x401026 (.text+0x26), e= 8 [PUSH ESI] ESI=2..9 0x401027 (.text+0x27), e= 8 [CALL 8D1000h] tracing nested maximum level (1) reached, skipping this CALL 8D1000h=0x8d1000 0x40102c (.text+0x2c), e= 8 [INC ESI] ESI=2..9 0x40102d (.text+0x2d), e= 8 [ADD ESP, 4] ESP=0x38fcbc 0x401030 (.text+0x30), e= 8 [CMP ESI, 0Ah] ESI=3..0xa 0x401033 (.text+0x33), e= 8 [JL 8D1026h] SF=false,true OF=false 0x401035 (.text+0x35), e= 1 [XOR EAX, EAX] 0x401037 (.text+0x37), e= 1 [POP ESI] 0x401038 (.text+0x38), e= 1 [RETN] EAX=0 ``` 生成的代码可以在此使用：  图12.4： IDA加载了.idc-script之后的内容 ## 12.2 ARM ### 12.2.1 无优化 Keil + ARM模式 ``` #!bash main STMFD SP!, {R4,LR} MOV R4, #2 B loc_368 ; --------------------------------------------------------------------------- loc_35C ; CODE XREF: main+1C MOV R0, R4 BL f ADD R4, R4, #1 loc_368 ; CODE XREF: main+8 CMP R4, #0xA BLT loc_35C MOV R0, #0 LDMFD SP!, {R4,PC} ``` 迭代计数器i存储到了R4寄存器中。 ``` “MOV R4,#2”初始化i。 “MOV R0, R4”和”BL f”指令组成循环体，第一个指令为f（）准备参数，第二个用来调用它。 “ADD R4, R4, #1”指令在每次迭代中为i加一。 “CMP R4，#0xA”将i和0xA（10）比较，下一个指令BLT（Branch Less Than，分支小于）将在i<10时跳转。 否则， R0将会被写入0（因为我们的函数返回0），然后函数执行终止。 ``` ### 12.2.2 优化后的 Keil + ARM模式 ``` #!bash _main PUSH {R4,LR} MOVS R4, #2 loc_132 ; CODE XREF: _main+E MOVS R0, R4 BL example7_f ADDS R4, R4, #1 CMP R4, #0xA BLT loc_132 MOVS R0, #0 POP {R4,PC} ``` 事实上，是一样的。 ### 12.2.3 优化后的 Xcode（LLVM） + thumb-2 模式 ``` #!bash _main PUSH {R4,R7,LR} MOVW R4, #0x1124 ; "%d " MOVS R1, #2 MOVT.W R4, #0 ADD R7, SP, #4 ADD R4, PC MOV R0, R4 BLX _printf MOV R0, R4 MOVS R1, #3 BLX _printf MOV R0, R4 MOVS R1, #4 BLX _printf MOV R0, R4 MOVS R1, #5 BLX _printf MOV R0, R4 MOVS R1, #6 BLX _printf MOV R0, R4 MOVS R1, #7 BLX _printf MOV R0, R4 MOVS R1, #8 BLX _printf MOV R0, R4 MOVS R1, #9 BLX _printf MOVS R0, #0 POP {R4,R7,PC} ``` 事实上，printf是在我的f（）函数里调用的： ``` #!cpp void f(int i) { // do something here printf ("%d ", i); }; ``` 所以，LLVM不仅仅是拆解了（unroll）循环，而且还把我的短函数f（）给作为内联函数看待了，这样，它把它的函数体内插了8遍，而不是用一个循环来解决。对于我们这种简短的函数来说，编译器这样做是有可能的。 ## 12.3 更多的一些事情 在编译器生成的代码里面，我们可以发现在i初始化之后，循环体并不会被执行，转而是先检查i的条件，在这之后才开始执行循环体。这么做是正确的，因为，如果循环条件在一开始就不满足，那么循环体是不应当被执行的。比如，在下面的例子中，就可能出现这个情况： ``` #!cpp for (i=0; i<total_entries_to_process; i++) loop_body; ``` 如果 total_entries_to_process 等于0，那么循环体就不应该被执行。这就是为什么应当在循环体被执行之前检查循环条件。 但是，开启编译器优化之后，如果编译器确定不会出现上面这种情况的话，那么条件检查和循环体的语句可能会互换（比如我们上面提到的简单的例子以及Keil、Xcode（LLVM）、MSVC的优化模式）。