《Linux内核分析》之计算机是如何工作的 实验总结

前言

前两天在家电脑win7系统一直打不开网站，今天换了个网反而好了，具体原因未知。

马马虎虎学完了Python课程，一直想学下linux，看到里面有个linux的就选上了。当初没细看，如今听完第一节课有点傻眼，竟然糊里糊涂给自己找了一科汇编语言的课程，静心看下去庆幸自己还知道点堆栈的知识并出现了轻微的自虐倾向。闲话少说，现开正题。注：本文具有总结兼作业性质，如有雷同，纯属巧合。

实验及总结

本实现代码及汇编部分均在实验楼完成。

实验代码

int g(int x)
{
      return x + 2;
}

int f(int x)
{
      return g(x);
}

int main(void)
{
      return f(8) + 1;
}

 汇编后代码及部分代码截图

使用gcc –S –o main.s main.c -m32命令编译成汇编代码

代码

    .file    "main.c"
    .text
    .globl    g
    .type    g, @function
g:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushl    %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    movl    8(%ebp), %eax
    addl    $2, %eax
    popl    %ebp
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size    g, .-g
    .globl    f
    .type    f, @function
f:
.LFB1:
    .cfi_startproc
    pushl    %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    subl    $4, %esp
    movl    8(%ebp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    g
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1:
    .size    f, .-f
    .globl    main
    .type    main, @function
main:
.LFB2:
    .cfi_startproc
    pushl    %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    subl    $4, %esp
    movl    $8, (%esp)
    call    f
    addl    $1, %eax
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret
    .cfi_endproc
.LFE2:
    .size    main, .-main
    .ident    "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

截图

纯净的汇编代码

g:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        movl    8(%ebp), %eax
        addl    $2, %eax
        popl    %ebp
        ret
f:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $4, %esp
        movl    8(%ebp), %eax
        movl    %eax, (%esp)
        call    g
        leave
        ret
main:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $4, %esp
        movl    $8, (%esp)
        call    f
        addl    $1, %eax
        leave
        ret

汇编代码分析

堆栈信息变更参考图

和一般代码执行一样从main函数开始。

esp堆栈的栈顶

ebp堆栈的基址(栈底)

eip当前的指令指针，eip寄存器不能被直接修改，只能通过特殊指令间接修改，故call/ret 例子中eip(*)表示伪指令

eax 函数的返回值默认使用eax寄存器来返回给上级函数。

假设一开始为空栈，初始位置为0，ebp=esp，如图：

1. 将当前ebp压栈同时esp的值被修改，即esp指向位置（1）

1. ebp指向esp的位置，即ebp指向位置（1）

1. esp-4即将esp向下移动一个编号，即esp指向位置（2）

1. 将8放到当前esp的位置，即将8放在位置（2）

1. 调用f函数 call f 对应的指令：push1 %eip(*) 和movl f,%eip(*)

此时eip实际指向下一行即第23行代码，将eip(标号23)存入位置（3）

同时esp指向位置（3），eip指向f

1. 将ebp的地址（位置1）存入位置（4），esp指向位置（4），此时代码进入f函数（模块）并执行其第一语句
2. 使ebp指向与esp相同的地址，即位置4
3. esp指向位置（5）
4. 将ebp+8变址寻址，即向上2个标号的位置，由于该位置的值为8，即eax=8
5. 将eax的值放到esp的位置，即将8放到位置（5）
6. 调用g函数 call g对应的指令：push1 %eip(*) 和movl g,%eip(*) esp移到位置（6），此时eip实际指向下一行即第15行代码，将eip(15)存入位置（6），同时eip指向g
7. 将ebp值ebp（4）存入位置（7），esp指向位置（7），此时代码进入g函数（模块）并执行其第一语句
8. 使ebp指向与esp相同的地址，即位置7
9. 将ebp+8变址寻址，即向上2个标号的位置，由于该位置的值为8，即eax=8
10. 将2加到eax中，即2+8=10，此时eax=10
11. ebp指向位置（4），esp指向位置（6）
12. esp指向位置（5），同时eip重新指向行号15
13. esp指向ebp的地址（位置4），即esp指向位置（4）
14. ebp指向位置（1），esp指向位置（3）
15. eip重新指向行号23
16. eax的值加上1，eax=11
17. esp指向ebp的地址（位置1），即esp指向位置（1）
18. ebp指向位置（0），esp指向位置（0）
19. main函数返回，eip重新指向该main函数调用前中断的地址，运行其他指令

计算机是如何工作的

采用冯·诺依曼体系结构，使用存储程序方式，cpu和内存用总线连接。

从硬件角度

cpu中含有寄存器,其中寄存器ip总是指向内存的某一区域（内存cs即代码段）

cup从ip指向的内存地址取出一条指令执行，执行完后ip自加1，取下一条指令再执行，如此循环。

程序员的角度

CPU为for循环，总是从内存中取出指令解释和执行

内存保存指令和数据

CPU负责解释和执行这些指令

cpu和内存之间用总线连接

附录

mov寻址指令

b,w,l,q分别代表8位、16位、32位和64位。此处以32为例

cup对内存的操作方法

mov指令

常用mov寻址命令

movl %eax,%edx edx =eax;

解释：register mode 寄存器寻址

本句含义：将eax寄存器里的内容放到edx寄存器中，相当于后面的edx =eax

movl $0x123,%edx edx = 0x123;

解释： immediate  立即寻址

$+16进制的数字即：立即数是以￥开头的数值。和内存无关

本句含义：将数值直接放在edx中，相当于后面的edx = 0x123

movl 0x123,%edx edx=*(int32_t*)0x123;

解释： direct 直接寻址

直接访问一个指定的内存地址的数据。无$，表一个地址

本句含义：将内存地址16进制的123所指向的内存数据放到edx中，相当于后面 edx=*(int32_t*)0x123即c语言中将数值强制转换为32位int变量的指针，在用一个*的指针取其指向的值

movl (%ebx),%edx edx =*(int32_t*)ebx;

解释：indirect 间接寻址

将寄存器的值作为一个内存地址来访问内存

本句含义：寄存器%ebx加（）表ebx存的值（是个内存地址）,加括号表示将内存地址所存储的数据放到edx中，即将ebx强制转换为一个地址，再加*取它的值。

movl 4(%ebx),%edx edx=*(int32_t*)(ebx+4);

解释：displaced  变址寻址

在间接寻址之时改变寄存器的数值

本句含义：在间接寻址的基础上，先给地址+个立即数，然后转换成int类型的指针，再取值

常用汇编指令简记

常用汇编指令

push1 %eax  

将 寄存器%eax压栈到栈顶，栈的位置在增长

what it does

subl $4,%esp   压栈 esp-4,将堆栈的栈顶

movl %eax,(%esp) 间接寻址将eax放置到esp处

提示：push1 %ebp 将当前ebp压栈同时esp的值被修改

popl %eax 

出栈，栈的位置在收缩

what it does

movl (%esp),%eax 将栈顶的数值放在eax里

addl $4,%esp            将esp+4相当于回退一个位置

call 0x12345

函数调用地址(函数调用堆栈)

理解C代码在CPU上执行的关键

what it does

push1 %eip(*) 对当前指令压栈

movl $0x12345,%eip(*) 使下一条指令执行位置为0x12345

ret

与call对应，将call时保存的eip还原到eip寄存器中即执行call之前的下条指令

what it does

popl %eip(*)

leave

撤销堆栈

what it does

movl %ebp,%esp

popl %ebp

enter

将栈置为一个新的空栈

what it does

pushl %ebp

movl %esp,%ebp

小知识点

必知小知识点

1、栈是向下增长的，向2000H的地址存入数据实际存储数据的是2000H-2003H这四个字节，也就是指针指向的是单元格的下边界来表示指向一个单元格。

2、对x86计算机大多数的指令可直接访问一个内存地址

AT&T汇编格式与Intel汇编格式略有不同

Linux内核使用的是AT&T汇编格式

windCoder原创作品转载请注明出处

参考资料

本文部分资料与图片参考自

《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000