《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第七课 - 机器级别的程序三

发布时间:2023年12月22日

Lecture 07 Machine Level Programming III Procedures 机器级别的程序三

概述

本章所说的程序/过程(procedure),它即可以是函数过程,也可以是面向对象编程中的方法,这些大致相同的东西,我们统一使用术语程序(procedure)来称呼。

ABI: Application Binary Interface, 应用程序二进制接口。
它要求所有Linux程序,所有的编译器,所有的操作系统,系统的所有不同部分,都需要对如何管理机器上的资源有一些共同的理解,并共同遵守这套规则。
因此,它超越了硬件实际提供的软件标准。
它是机器程序级别的接口。

程序机制

  • 传递控制
    • 程序(函数)代码的开始
    • 返回点
  • 传递数据
    • 程序参数
    • 返回值
  • 内存管理
    • 程序运行时分配内存空间
    • 返回时解除分配
      在这里插入图片描述

传递控制:我们需要将控制权转移给一个函数并确保它能返回正确的位置。
当P调用Q时,程序必须以某种方式跳转到Q中,并开始执行Q的代码。然后当Q执行到它的退出点,程序需要以某种方式回到P。
不是返回到P的任何地方都可以,必须恰好在P调用Q后的位置。
因此为了返回正确的位置,我们需要记录返回位置的信息。

传递参数:我们如何传递参数?
Q是一个函数,它接受单个参数i并能在函数内部使用这个参数,在P调用它的地方,P给Q传递了一个称为x的值,所以x的值必须以某种形式记录下来,使的在Q内,程序有权访问其他信息。
类似的,当Q想要返回有一个值时,P也将用相同的方式利用该值。

函数中的局部数据:需要分配一些空间
那么在哪里分配这些空间?如何确保正确分配?如何确保空间被正确释放?

将程序分解成更小的函数,尽可能减少过程调用的开销。
在好的编程风格中,你写的函数往往专注于很小的功能。

设计者的原则之一是:只做绝对必要的事情
如果数据不需要本地存储空间则不要分配和释放空间了。
如果你没有必要传递任何值,那就不要传递它们。

栈结构

栈说明

前景问题:如何将控制传递给一个函数? 栈
栈并不是什么特殊的内存,栈并不是特殊的内存,它只不过是普通内存的一个区域。
对于汇编层面的程序员而言,内存只是一个巨大的字节数组。在那一堆自己中的某个地方,我们将其称为栈。

程序用栈来管理过程与返回的状态。
在栈中,程序传递潜在信息,控制信息和数据,并分配本地数据。栈可以用于管理这些信息的原因在于栈这种数据结构,符合过程调用和返回的整个想法的实质。
当你调用时,可能需要一些信息,但是当你从调用中返回时,所有这些信息可以被丢弃,因此它利用了栈的那种后进先出的原则,这与调用与返回的思想十分吻合。

栈定义

  • 用栈规则管理内存区域。
  • 向较低地址增长
  • 寄存器%rsp 包含最低栈地址。也就是最上面的元素(最先出栈的元素)
    在这里插入图片描述

每次在栈上分配更多空间时,都会通过递减该指针来实现。

推入数据

pushq Src

  • 从Src获取操作数
  • 寄存器%rsp 减8
  • 将数据写入寄存器%rsp 给的地址。

弹出数据

popq Dest

  • 从寄存器%rsp中读取数据
  • 寄存器%rsp地址 加8
  • 将值存到Dest(必须是寄存器)

拓展:
弹出数据之后,寄存器%rsp地址加8,增加栈指针来释放空间,并不意味着我神奇的抹去了什么,仅仅移动了栈指针而已,原来的栈顶元素热然保存在内存中,只是不再时栈中的一部分了。

调用控制

指令call与ret使用了栈push与pop相同的思想。

代码示例

  • c 语言代码
long mult2(long a, long b)
{
    long s = a * b;
    return s;
}

void multstore(long x,long y,long *dest)
{
    long t = mult2(x, y);
    *dest = t;
}
  • 汇编码
0000000000400540 <multstore>:
  400540: push   %rbx		# Save %rbx
  400541: mov    %rdx,%rbx		# Save dest
  400544: callq  400550 <mult2>	# mult2(x,y)
  400549: mov    %rax,(%rbx)	# Save at dest
  40054c: pop    %rbx		# Restore %rbx
  40054d: retq			# Return

0000000000400550 <mult2>:
  400550:  mov    %rdi,%rax	# a 
  400553:  imul   %rsi,%rax	# a * b
  400557:  retq			# Return
程序控制流程
  • 使用栈来支持程序的调用和返回。
  • 程序调用:调用标签
    • push推送数据,返回栈地址
    • 跳到函数调用标签
  • 返回地址
    • 调用函数之后,下一个指令的地址
  • 程序返回:ret
    • pop弹出地址,从栈中
    • 跳到地址

如图:
在这里插入图片描述

调用call:此时栈指针(%rsp)指向0x120, 指令指针(%rip)指向call指令。
在这里插入图片描述

运行mult2: 栈指针(%rsp)-8,指向0x118。指令指针(%rip)指向mult2中的程序。
在这里插入图片描述

mult2返回:指令指针(%rip)指向mult2中的ret。
在这里插入图片描述

调用函数之后,程序恢复执行:栈指针(%rsp)+8,指向0x120。指令指针(%rip)指向multstore中的程序。

拓展:
0x120 - 8 = 288 - 8 = 280 = 0x118

%rip

%rip: register instruction pointer, 指令指针寄存器。
它存储了当前正在执行的指令的内存地址。

当处理器执行程序时,它会按顺序读取内存中的指令并执行它们。%rip 寄存器指示了下一条要执行的指令的内存地址。当处理器执行完一条指令后,它会自动更新 %rip 寄存器,使其指向下一条要执行的指令的地址。

%rip 寄存器在程序执行期间是自动更新的,程序员无法直接修改它的值。

传递数据

前面六个参数存储在寄存器中:

  • %rdi
  • %rsi
  • %rdx
  • %rcx
  • %r8
  • %9
    当超过6个参数, 超过的参数存储到栈中:
...
Arg n
...
Arg 8
Arg 7

返回值:
%rax

ABI 标准

基本上代码能运行基于这样的假设:无论什么参数都按列出的顺序被传递给这一系列寄存器。
并且代码显然是依赖于这些假设。类似的,返回值的处理方式也是传递给指定的寄存器%rax。

示例

以上面的例子为例:

# x in %rdi,  y in %rsi, dest in %rdx
# t in %rax
void multstore(long x,long y,long *dest)
{
    long t = mult2(x, y);
    *dest = t;
}

管理局部数据

基于堆栈的语言

  • 支持递归
  • 代码课重入
    单个程序可以多个实例同时实例化
  • 需要一个地方来存储实例状态
    • 参数
    • 局部变量
    • 返回指针
  • 堆栈的原则
    • 特定的程序在有限时间内的状态
      从被调用到返回
    • 被调用方在调用方之前返回。
  • 按帧分配的堆栈
    单个程序实例化的状态。

调用和返回的功能之一是你可以对函数进行嵌套调用。
执行特定程序时,它只需要引用该函数内部的数据或已传递给它的值。
我们可以再这个栈上分配这个当前函数需要任意多的空间,我们不需要保留与该函数相关的任何信息,返回时,之前被调用的函数就可以永远消失了。这就是为什么我们要用栈的思想。
在栈上分配空间,它们返回的时候退出栈,并释放空间。这些栈的规则完全适用,它与过程调用和返回思想完美匹配。
因此,我们把栈上用于特定call(特定函数)的每个内存块称为栈帧。

栈帧

  • 内容
    • 返回信息
    • 局部存储
    • 临时存储
  • 管理
    • 当进入程序分配空间
      • 开始代码
      • call调用指令,推送数据(参数)
    • 返回时释放空间
      • 完成代码
      • ret指令,弹出数据(返回数据)

在这里插入图片描述

通常一个栈帧由两个指针分隔:栈指针, 基指针。
基指针式一个可选的指针,所以这个寄存器实际上并不会在你的过程中以帧指针的形式出现,所以通常情况西啊,你知道栈帧的唯一事情栈指针。因此,你甚至无法弄清楚栈帧的确切范围。你只知道栈的顶部式对应于最顶层函数的顶部栈帧。

每次开始调用一个函数时,栈上就会为它的栈帧分配一些空间。然后该栈帧的位置由一个指针或两个指针指示。

栈指针寄存器 %rsp : register stack pointer. 用于指向当前栈顶的位置。
栈是一种用于存储临时数据和函数调用信息的数据结构。通过修改 %rsp 的值,可以在栈上分配和释放内存空间。

基址指针寄存器 %rbp :用于指向当前函数的基址。基址指针通常用于访问函数的局部变量和参数。通过 %rbp,可以在栈帧中定位和访问这些变量和参数。

函数递归调用示例

在这里插入图片描述

每层调用都会由自己管理局部状态,这样栈的原则再次保证了它能正确的工作。

linux 栈帧

在这里插入图片描述

  • 当前栈帧(从顶部到底部)
    • 参数
    • 局部变量
    • 保存的寄存器上下文
    • 旧的栈帧指针(可选)
  • 调用者栈帧
    • 返回地址
      call指令推送数据。
    • 调用该函数的参数
示例
  • c 代码
long incr(long *p, long val)
{
    long x = *p;
    long y = x + val;
    *p = y;
    return x;
}

long call_incr()
{
    long v1 = 15213;
    long v2 = incr(&v1, 3000);
    return v1 + v2;
}
  • 汇编代码
incr:
	movq	(%rdi), %rax
	addq	%rax, %rsi
	movq	%rsi, (%rdi)
	ret
call_incr:
	subq	$16, %rsp
	movq	$15213, 8(%rsp)
	movl	$3000, %esi
	leaq	8(%rsp), %rdi
	call	incr
	addq	8(%rsp), %rax
	addq	$16, %rsp
	ret

movl $3000, %esi: 因为3000足够小,所以适用movl指令就行了。%esi寄存器,高32位会设置为0。编译器喜欢这么干的原因是movl比movq少一个字节。

寄存器保存数据惯例

  • 当程序yoo 调用 who
    • yoo 是调用者(caller)
    • who 是被调用者(callee)
  • 调用者保存
    调用者在调用前保存临时值到它自己的栈帧
  • 被调用者保存
    被调用者在使用前保存临时变量的值到它自己的栈帧。
    被调用者在返回给调用者时再次存储。

linux寄存器的使用

在这里插入图片描述

  • %rax
    返回值
    调用者保存
    可以被程序修改。

  • %rdi,…,%r9
    参数
    调用者保存
    可以被程序修改

  • %r1o,%r11
    调用者保存
    可以被程序修改。

这些寄存器也经常被作为临时寄存器。
在这里插入图片描述

  • %rbx,%r12,%r13,%r14
    被调用者保存
    被调用者必须保存和恢复

  • %rbp
    被调用者保存
    被调用者必须保存和恢复
    可能被用作栈帧指针
    可以混搭

  • %rsp
    特殊形式被调用者保存
    退出程序后恢复为原始值

递归说明

  • c 代码
long pcount_r(unsigned long x)
{
    if (x == 0)
        return 0;
    else
        return (x & 1) + pcount_r(x >> 1);
}
  • 汇编代码
pcount_r:
	testq	%rdi, %rdi
	jne	.L8
	movl	$0, %eax
	ret
.L8:
	pushq	%rbx
	movq	%rdi, %rbx
	andl	$1, %ebx
	shrq	%rdi
	call	pcount_r
	addq	%rbx, %rax
	popq	%rbx
	ret

每个程序都会以这种方式处理%rbx, 即修改之前将它先暂存在栈上。

对于递归的观察

  • 栈帧意味着每个方法调用有着自己的私有存储空间
    存储寄存器和局部变量
    存储返回指针
  • 寄存器保存数据惯例可以放置一个函数调用破坏其他数据。
    除非C代码显式地这样做(例如,第9讲中的缓冲区溢出)
  • 栈满足调用返回匹配成对
    如果P调用Q,则Q在P之前返回。
    后进先出。

《深入理解计算机系统》书籍学习笔记

《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第一课 - 课程简介
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第二课 - 位,字节和整型
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第三课 - 位,字节和整型
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第四课 - 浮点数
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第五课 - 机器级别的程序
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第六课 - 机器级别的程序二
《深入理解计算机系统》学习笔记 - 第七课 - 机器级别的程序三

文章来源:https://blog.csdn.net/u014190763/article/details/135160198
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