[oeasy]python0022_ python虚拟机_反编译_cpu架构_二进制字节码_汇编语言

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程序本质

回忆上次内容

• ​python3​​ 的程序是一个 5.3M 的可执行文件
• 我们通过which命令找到这个python3.8的位置
• 将这个python3.8复制到我们的用户目录下
• 这个文件还是能够执行的
• 将这个文件转化为字节形态
• 确实可以转化
• 但是这个文件我们看不懂啊！！！😭

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• 怎么才能看懂这些东西呢？🤔
• 这个东西我们确实看不懂
• 但是有人能看懂
• 谁呢？

真实的cpu

• 无论手机还是计算机
• 最核心器件的器件就是cpu

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• 这个东西是个实实在在存在的实体
• 这个cpu就能看懂这些字节码吗？

cpu

• cpu能看懂这些字节码！！！
• 这些字节码
• 我们看不懂的
• cpu能看懂
• 这是属于cpu的机器语言
• 这就是cpu的一条条的机器指令(instruction)

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• 机器指令码都是二进制字节形式的
• 我们尝试把python3.8转化为字节表现形式

反汇编-汇编语言助记符

#先把~/python3对应的机器语言输出为汇编指令形式(反汇编)
objdump -d python3.8 > python3.8.asm
vi python3.8.asm

• 这次真的可以看懂了
• 减法(sub)
• 移动(mov)
• 这些指令

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• 可以发现当前系统的架构(指令集)是x86-64
• 这些和我们刚才的字节形态有关系吗？

对比

• 用vi分窗口分别打开打开python3 和 python3.asm

vi -o python3.8hex python3.8.asm

• 下图中上半部分是机器语言

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• 上图下半部分是机器语言对应的汇编指令助记符
• ctrl+j、ctrl+k可以上下窗口切换
• 我们来试着找找
• python3.8文件中
• 机器语言的0101和cpu的汇编指令的对应关系🧐

找到了

• 下面窗格
• 先跳到第8行
• endbr64 意味着 64位结束分支
• 下面就是第9行

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• 第9行
• ​​/48 83​​ 找到上下的对应关系
• 也就是第一条执行的汇编指令sub
• sub对应substract 是减法
• 汇编指令是计算机 cpu 机器指令的助记符

查找对应关系

• ​​423000​​ 就是初始化(init)的 cpu 开始执行指令的地址
• 我们在上面查找48 83
• 看有没有对应的字节
• /4883 ec08 488b...
• 在上面的窗格中
• 搜索这些字节形态

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• 好像找到了对应关系
• 具体怎么对应的呢？
• 这台计算机用的是什么指令集呢？
• 什么是指令集来着？

指令集

• 指令集就是指令的集合

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• 指令集也叫计算机的架构
• 不同架构的 cpu 有不同的指令集
• 我们目前的这个浏览器里面的系统用的是 ​​x86-64​​
• 除此之外 ​​arm​​、​​MIPS​​、​​RISC-V​​ 也是常用的指令集
• 指令助记符和机器语言到底是则怎么对应的呢？

回到代码

• 代码会有不同的 ​​section​​ 模块
• 入口是 ​​init​​
• 作用是初始化​​initialization​​

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• 模块里面是具体的指令
• 比如第一句 ​​48 83 ec 08​​
• 为什么48 83 就可以代表减法
• 这是谁规定的呢？

查看指令集

• 这是cpu架构规定的
• 首先要明确到当前机器的cpu的架构
• 反汇编里面说是x86-64

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• 到shell里面验证一下

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• 当前机器所用的架构指令集确实是x86-64
• 这是谁的架构呢？

搜索

• 不会了就去搜索😄

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• 去intel官网找指令集

查询x86_64指令集

• 找到cpu的手册
• ​​https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-instruction-set-reference-manual-325383.pdf​​
• 可以找到指令和二进制状态之间的关系么？
• 先要找到x86-64指令集中 48 83 这条指令

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• 注意上图中
• 100B中的B是0或1
• 100B可以是1000
• 也可以是1001
• 这确实是一条减法指令
• 而且是8位立即数和寄存器的减法运算

逐步搜索

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• 找起来真的很费劲
• ​​48 83 ec 08​​ 对应 ​​sub $0x8,%rsp​​
• 确实是一条减法指令
• 确实是8位立即数和寄存器的减法运算

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• 和objdump的结果是一致的
• 废话！！！😠
• 除了减法指令sub之外
• 还有什么别的指令呢？

更多cpu指令

• 指令那可还有很多的
• 有运算的
• 有移位的
• 加减乘除都有

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• 这些指令的集合就是指令集
• 指令集就是cpu运行的基础！
• 这些机器语言的指令不能在别的指令集架构上运行么？

移植 port

• 想在别的指令集架构上运行程序
• 就需要移植(port)
• 移植(port)指的是从一种指令集移植到另一种指令集
• 从这个词的词源
• 可以看出欧美的航海文化基础
• port 港口
• 也可以看出我们的农耕文化基础
• 移植

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• 不移植会如何呢？

不移植

• 这是playstation2的架构图
• cpu是mips架构的

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• 不移植的话
• 就是让x86架构的pc
• 去直接执行这些基于mips架构的的0101... 字节码
• 就像让一个意大利泥瓦匠看一份中文写成的烹饪书来砌墙
• 鸡同鸭讲
• 驴唇不对马嘴
• 0101的文件执行出来全是乱的
• 完全不能用
• 而且不全是软件的问题
• 也涉及到硬件等方面
• 可能某个寄存器在新架构中根本就不存在

架构师

• 这个时候架构师要解决相当多的问题
• 很不容易的

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• 落实到我们的python3.8游乐场
• 我们的python3.8就是这样的一系列的cpu指令
• 可以解释py文件的
• python3.8 又是如何解释py文件的来着？

python3 执行过程

• 不管是python3.8这个游乐场
• 还是hello.py这个python程序
• 都在我们的硬盘上

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• 先得把文件从硬盘读到内存

python3 执行的过程大致是这样

• 先把python3.8这个主解释器加载到内存中
• 然后在x86-64的cpu上执行
• 模拟出一台python虚拟机

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• 对py文件解释执行
• 那为什么py程序可以跨架构跨平台呢？

架构的层次

• 不同架构的 cpu 都可以运行 python
• risc-v
• arm
• x64
• mips
• 龙芯

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• 不同系统的环境都可以运行 python
• win
• mac
• linux
• freebsd

跨架构跨平台原理

• 由于python3.8 的源文件
• 被不同的架构的编译器 编译后
• 被部署到 不同的cpu架构和系统上
• 所以同样的py文件被加载之后
• python程序可以对py文件跨架构、跨系统进行解释执行
• 一次编写到处运行

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• 不同的架构下
• 汇编指令都不一样
• 怎么能正确解释执行同样的python程序呢？

跨架构跨平台原理

• ​/usr/bin/python3.8​​ 本身是二进制文件
• 是基于当前操作系统当前架构编译出来的
• 可执行二进制文件
• 不同的架构有不同的编译器
• 不同的编译器编译出来的python3.8
• 是不同的二进制指令序列

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• ​python3.8​​ 构建了一个运行时环境
• 这个环境可以解释读到的​​python语句​​
• 把​​python语句​​翻译成系统能读懂输入输出
• 翻译成当前架构能够执行的代码
• 然后边解释边执行
• 恭喜您完成了非常烧脑一个实验！
• 我们去总结吧！！！

总结

• ​python3​​ 的程序是一个 5.3M 的可执行文件
• ​​python3​​ 里面全都是 cpu 指令
• 可以执行的那种
• 我们可以把指令对应的汇编找到
• ​​objdump -d ~/python3 > python3.asm​​
• 汇编语句是和当前机器架构的指令集相关的
• ​​uname -a​​可以查询指令集
• 我们执行的过程其实就
• 系统执行​​python3​​这个可执行文件
• 给了​​python3​​一个参数​​hello.py​​
• ​​python3​​对于​​hello.py​​一句句的解释执行
• 在显示器输出了​​hello world​​
• ​​python3​​执行完毕
• 把控制权交回给 shell
• 这就是我们执行​​hello.py​​的过程
• 我想输出个稍微复杂点的东西
• 可以做下面这个框架标题吗？🤔

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• 我们下次再说！👋
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