第3章
AT&T彙編概述
3.1 AT&T彙編基礎
3.1.1 IA-32指令
當計算機處理應用程式，運作其中的二進制指令碼時，資料指針将訓示處理器如何在記憶體的資料區域尋找要處理的資料，這塊區域稱為堆棧；指令碼放在另外的指令區，并通過指令指針機制管理目前運作中的指令，當處理器完成一個指令碼的處理之後，指令指針将指向下一條指令碼。
IA-32指令碼（Intel、AMD的CPU使用的指令碼）由二進制碼組成，格式如圖3-1所示。
其中，指令字首（Instruction Prefixes）可包含1到4個修改操作碼行為的1位元組字首，它們分别是鎖定字首和重複字首、段覆寫字首和分支提示字首、操作數長度覆寫字首、位址長度覆寫字首等。操作碼（Opcode）定義了處理器執行的功能；修飾符包括ModR/M（尋址方式說明符）、SIB（比例–索引–基址）、Displacement（移位），定義執行的功能中涉及存取的具體寄存器和記憶體位置；資料元素（Immediate）是完成功能所需要使用的資料，這些資料既可以是直接的資料值，也可以是資料在記憶體中的位址。
當資料元素被放入到堆棧中時，資料指針在記憶體中“向下”（位址減少）移動，而當資料從堆棧中讀取時，資料指針則在記憶體中“向上”（位址增加）移動；指令指針可讓處理器了解哪些指令碼已經處理過了，接下來需要處理的指令碼是哪條。資料指針的移動過程如圖3-2中的左圖所示，指令指針的移動如圖3-2中的右圖所示。
3.1.2 彙編的作用
C語言看似簡單，但要想真正駕馭它難度卻很大，需要非常小心和謹慎。C語言非常接近底層硬體，極具靈活性，在實際工作中，C程式員往往需要比Java程式員掌控更多的底層細節，他們通常要親自控制記憶體的配置設定與回收、控制接口通信、優化檔案系統和網絡協定、調用作業系統核心函數，等等，這對C代碼的品質提出了較高的要求，代碼品質越高，編譯後運作的效率就越高，代碼品質太低，将會使運作效率也變得低下，可能還不及完成同樣功能的Java程式，諸如記憶體洩漏等問題甚至會造成作業系統的漏洞和崩潰。
彙編語言（Assembly language）是一種用于電子計算機、微處理器、單片機或其他可程式設計器件的低級語言，采用助記符代表特定低級機器語言的操作，特定的彙編語言和特定的機器語言指令集是一一對應的，是以，相對C等進階語言而言，彙編語言的移植性較差，一種彙編語言通常專用于某種計算機系統結構，而且不可以在不同的系統平台之間移植。使用彙編語言編寫的源代碼，需要使用相應的彙程式設計式将它們轉換成可執行的機器代碼，這一過程被稱為彙編過程。彙編語言的優勢在于：速度快，可以對硬體底層直接進行操作，這對諸如圖形處理、高性能運算、底層接口操作等關鍵應用是非常重要的。
彙編語言與C語言是相輔相成的，對編譯後的C程式進行反彙編，剖析生成的彙編代碼，能夠更好地了解編譯過程、指針原理、記憶體配置設定、代碼優化等關鍵問題，進而提高C代碼的品質；此外，彙編速度快，可以直接對硬體進行操作，這對諸如圖形處理等關鍵應用是非常重要的，可以将彙編語言直接嵌入C代碼中，運用彙編這一底層語言優化程式的性能。
3.1.3 AT&T彙編語言的特點
彙編語言允許程式員友善地建立指令碼程式，但不是用那些二進制編碼的格式，而是使用助記符，助記符使用不同的單詞表示不同的指令碼。有了助記符，程式員可以用英語來編寫在目标機器上執行的指令碼，而不用記憶那些無趣的二進制編碼。
絕大多數程式員以前隻接觸過DOS/Windows下的彙編語言，這些彙編代碼都是Intel風格的，在Linux系統中，更多采用的還是AT&T彙編語言，是以，本書将以AT&T彙編語言為例進行講解。
AT&T彙編文法主要包含如下特點。
1）程式源檔案一般以“.s”作為字尾檔案名，以“#”開頭表示注釋。
2）寄存器名以“%”作為字首。例如，下面的代碼表示将eax寄存器的内容複制到ebx中：
movl %eax,%ebx
3）立即操作數以“$”字首表示。例如，下面的代碼表示将1複制到eax記憶體位址中（eax用括号包圍，表示操作數的記憶體位置，而不是操作數本身）：
movl $1, (%eax)
4）目标操作數在源操作數的右邊。例如，下面的代碼表示将寄存器eax的内容複制到ebx中：
5）操作數的字長由操作符的最後一個字母決定，字尾“b”、“w”、“l”分别表示操作數為位元組（byte，8 比特）、字（word，16 比特）和長字（long，32比特）。
下面以複制指令mov為例進行說明。
movl對32位進行操作，下面的代碼表示将eax寄存器32位的内容複制到ebx中：
movl %eax, %ebx
movw對16位進行操作，下面的代碼表示将ax寄存器的内容複制到bx中：
movw %ax, %bx
movb對8位進行操作，下面的代碼表示将al寄存器的内容複制到bl中：
movb %al, %bl
下面再來看一下入棧指令push（如下面的代碼所示，“#”後的注釋是對本行代碼的說明）：
pushl %ecx # 32位ecx的内容入棧
pushw %cx # 16位ecx的内容入棧
pushl $180 # 180作為一個32位整數入棧
pushl data # data變量内容入棧，長度為32位
pushl $data # 這個操作很特别，在變量前面加上"$"表示擷取變量的位址，這裡是将data變量的位址入棧
6）遠端轉移指令和遠端子調用指令的操作碼分别為ljump和lcall。
3.1.4 第一個AT&T彙編
學習彙編最有效的方法就是動手實踐，下面就來開始編寫第一個彙程式設計式吧！本程式需要完成的功能是：将66與20相加，相加的結果（88）是字母“B”的ASCII碼，将“B”與後面跟随的換行符（換行符的ASCII碼為10）一起輸出到螢幕上。不同的作業系統中，彙編代碼會稍有不同，下面将分别以FreeBSD與Ubuntu系統為例進行講解。
1. FreeBSD系統
FreeBSD系統可通過Vim或ee編輯檔案3-1.s，輸入如程式3-1所示的代碼：
與C程式需要編譯才能運作一樣，彙程式設計式不能直接執行，也需要先進行彙編，并且要在連結後才能執行，具體過程如下。
首先，進行彙編：
%as -o 3-1.o 3-1.s
然後，連結：
%ld -o 3-1 3-1.o
最後，運作測試：
% ./3-1
B
下面對程式3-1進行剖析，初步熟悉一下AT&T彙編。
1）AT&T彙編代碼通過.section聲明不同的段，程式3-1聲明了兩個段，它們分别是.section .data段和.section .text段。.section .data段為資料段，用于存放可供彙程式設計式讀寫的資料；.section .text段為代碼段，用于存放彙程式設計式代碼，程式在運作時會為這兩個段配置設定相應大小的記憶體，當程式結束時，這些記憶體會被自動釋放。
2）程式3-1中的資料段中存放了1個位元組（byte）大小的數字66和同樣大小的換行符（數字10表示換行符的ASCII碼），代碼片斷如下：
.section .data
output:
.byte 46
.byte 10
上述彙編代碼完成的功能相當于下面這條C語句：
unsigned char output[2]={60,10};
3）程式3-1的代碼段的開頭處有這樣一條語句“globl _start”，這條語句标注了程式的起始點（相當于C語言的main函數）。globl标記用于訓示外部程式可通路的程式标簽，_start标簽是ld連結器進行連結時預設程式的起始點，它們組合在一起的含義是：當彙程式設計式運作時，指令指針将指向_start标簽處（即代碼段的開頭，第一條彙編代碼處），從_start标簽指向的彙編代碼開始運作。注意，“_start”是預設的名字，如果要使用其他名字，則需要在連結時使用“-e”選項指定起始點名稱。
4）緊接着_start标簽的程式可分為如下兩塊。
第一塊是顯示字元“B”及換行符，代碼片斷如下：
movl $output,%edx
addl $20,(%edx)
pushl $2 # 參數三：字元串長度，包括換行符共2個字元
pushl $output # 參數二：要顯示的字元串
pushl $1 # 參數一：檔案描述符（stdout）
movl $4, %eax # 系統調用号（sys_write）
pushl %eax
int $0x80 # 調用核心功能顯示字元及回車
上述代碼片斷的前2行将output标記指向的數字66所在的記憶體位址送入edx寄存器，然後調用addl指令完成66+20的運算，addl指令的目标操作數為(%edx)，而不是%edx，用括号包圍表示目标操作數在%edx指向的記憶體位址中。餘下幾行則通過将參數依次入棧，然後使用UNIX核心的系統調用從核心通路控制台顯示，最後一行int $0x80表示使用int指令碼，生成具有0x80值的軟體中斷，要求核心執行的具體操作由eax寄存器決定，這個核心函數省去了将每個輸出字元親自送到顯示器的I/O位址的過程。該代碼片斷相當于執行以下C語句：
output[0]+=20;
printf("%s",output);
第二塊是退出程式，代碼片斷如下：
pushl $0 # 參數一：退出代碼
movl $1,%eax # 系統調用号（sys_exit）
int $0x80 # 調用核心功能
上述代碼片斷以退出代碼0作為參數入棧，并以系統調用号1來調用核心，進而正常退出程式，這段代碼相當于執行以下C語句：
return 0;
以上兩塊代碼均使用了int $0x80軟中斷語句來通路核心，軟中斷指令通常要運作一個切換CPU至核心态（Ring 0）的子例程，這個過程用于實作系統調用，它觸發了核心事件，實作了宏觀的異步執行，與硬中斷類似，也與信号有些類似。這意味着，當執行int $0x80時，通過軟中斷觸發核心事件，進而調用核心函數。調用函數通常需要傳入參數，核心函數也不例外，棧就是使用者程式與核心函數的交換空間。
與Ubuntu不同的是，FreeBSD 核心預設使用 C 語言的調用規範，因為作為一個類Unix作業系統，它遵守Unix規範，該規範允許任何語言所寫的程式通路核心，也就是說FreeBSD通路核心的方式是先将參數壓入棧中，然後再執行 int $0x80調用核心中斷，執行核心函數。程式3-1也是這樣做的：它首先通過push指令，将調用參數将壓入棧中，然後通過int $0x80指令觸發軟體中斷，執行核心函數，最後核心函數從棧中将參數取出，執行完畢後，由核心态傳回使用者态。
2. Ubuntu 系統
Ubuntu等Linux系統與FreeBSD等類UNIX系統在調用核心函數時略有不同。Linux核心在傳遞參數的時候，使用了與MS-DOS/Windows相同的系統調用規範，例如，在 UNIX 的規範中，代表核心函數的數字存放在eax中，而在Linux中，調用參數并未壓入棧中，而是存放在ebx，ecx，edx，esi，edi，ebp等寄存器中。是以在Ubuntu下，程式3-1需要稍做修改，修改後的代碼如程式3-2所示：
彙編并運作程式3-2：
$as -o 3-2.o 3-2.s
$ld -o 3-2 3-2.o
$ ./3-2
程式3-2與程式3-1的結構類似。首先，在可讀寫資料段（.section .data）中存放66以及10（換行符的ASCII碼）；然後，在程式段（.section .text）的起始處，使用“.global _start ”聲明入口程式名；最後，在_start程式中，先後使用兩次“int $0x80”語句調用核心函數，顯示字元串後退出程式。但有一個“陷阱”，程式段的前2行看似完成了66+edx的操作，但卻忽略了一點，%edx表示一個操作數，而不是操作數的記憶體位置。是以輸出的是66對應的“B”，而不是ASCII碼86對應的“√”。
程式3-2與程式3-1的主要差別在于：程式3-2并沒有像程式3-1那樣将調用參數推入棧中，而是将參數放在edx、ecx、ebx、eax寄存器中，然後調用核心功能輸出字元串。
從以下代碼片斷可以看出：字元串長度2被放置在edx寄存器中，字元串的首位址放置在ecx寄存器中，輸出裝置stdout的描述符放置在ebx寄存器中，系統調用号4放置在eax寄存器中，最後一行調用了核心功能函數。
movl $2, %edx # 參數三：字元串長度
movl $output, %ecx # 參數二：要顯示的字元串
movl $1, %ebx # 參數一：檔案描述符(stdout)
movl $4, %eax # 系統調用号(sys_write)
int $0x80 # 調用核心功能
3.2 程式運作機制
C程式運作機制與Python、Lua等腳本語言的運作機制不同，腳本語言由解釋程式讀取後運作，由解釋程式負責運作腳本語言的指令，而不是由CPU直接運作腳本語言的指令。雖然某些腳本語言解釋器具有JIT（just-in-time compiler）功能，可将腳本語言轉換成能被處理器直接執行的指令，但是，轉化的過程實質上也是一個編譯的過程，這個編譯過程仍然需要編譯器的幫忙，是以，從某種角度上來說，此類腳本語言解釋器可稱為“腳本語言編譯器”。而C語言則不同，它屬于編譯型語言，當然，彙編語言也是可編譯運作的，但C語言相比彙編語言而言更簡潔，在完成同樣任務的情況下，C程式的編碼量要少很多，這對彙編語言程式員來說也許是一種解脫。
C語言将生成機器語言的工作托付給編譯器執行，機器語言是計算機能夠直接解讀、運作的語言，C語言編譯器将源程式作為輸入，翻譯成目智語言機器的二進制執行檔案，在Linux平台下，GCC是使用最多的編譯器，GCC原名為GNU C 語言編譯器（GNU C Compiler），經過後期的不斷改進，目前GCC可用于編譯C、C++、Fortran、Pascal、Objective-C、Java、Ada等，此外，GCC還能編譯彙編語言。Unix平台預設的編譯器是cc，使用方式與GCC類似。
C語言編譯生成的二進制可執行檔案通常分為應用程式和庫檔案兩種，其中，應用程式可以直接執行，庫檔案是多個目标檔案的組合，通常來說不能直接執行，但其提供了多個功能的調用接口。在編譯C語言時，連結進應用程式的稱為靜态庫；在系統運作時，調用應用程式的稱為動态庫。
GCC等 C語言編譯器簡化了C程式員的工作，讓他們能夠将大部分精力放在處理程式與算法邏輯上來，但美中不足的是：C語言編譯生成的二進制程式比彙編器生成的程式要大，包含的指令也更多，是以程式執行效率要比彙編語言低，雖然GCC編譯器擁有優化編譯的功能，可提高生成機器代碼的執行效率，但是其仍然無法與彙編代碼彙編生成後的應用程式相比，是以，在執行效率要求很高的場合，仍然需要全部使用彙編語言編寫或将彙編代碼嵌入到C語言中。
3.3 小結
彙編語言與C語言是相輔相成的，彙編語言能夠幫助C程式員提高代碼品質，更好地參與數十萬行以上C代碼的複雜項目的開發；同時，C語言代碼中可以内嵌彙編語言，将程式中的關鍵部分用彙編語言來實作，進而進一步提高效率。本章首先簡要介紹了IA-32指令構造、AT&T彙編的作用與文法特點，然後以輸出單個字元為例，講解了AT&T彙編的編寫、彙編以及連結過程，最後解說了程式的運作機制。