基于x86的Hello World汇编代码分析

基于x86的Hello World汇编代码分析
（AT&T汇编风格）
本文通过对由gcc对简单C语言代码编译生成的汇编码进行逐句分析解读，来学习x86的汇编结构和堆栈机制。文章涉及细节较多，难免出错，望读者不吝赐教！

一、代码
C语言代码：
/* file: hello.c */
1 #include
2
3 int add(int a, int b){
4 return (a+b);
5 }
6
7 int main(int argc, char **argv){
8 int a, b, c;
9 a = 3;
10 b = 4;
11 c = add(a, b);
12 printf("a+b=%d/n", c);
13 printf("Hello World!/n");
14 return 0;
15 }
16





gcc -S -ohello.s hello.c输出文件：
/* file: hello.s */
1 .file "hello.c"
2 .text
3 .globl add
4 .type add, @function
5 add:
6 pushl %ebp
7 movl %esp, %ebp
8 movl 12(%ebp), %edx
9 movl 8(%ebp), %eax
10 addl %edx, %eax
11 popl %ebp
12 ret
13 .size add, .-add
14 .section .rodata
15 .LC0:
16 .string "a+b=%d/n"
17 .LC1:
18 .string "Hello World!"
19 .text
20 .globl main
21 .type main, @function
22 main:
23 leal 4(%esp), %ecx
24 andl $-16, %esp
25 pushl -4(%ecx)
26 pushl %ebp
27 movl %esp, %ebp
28 pushl %ecx
29 subl $36, %esp
30 movl $3, -8(%ebp)
31 movl $4, -12(%ebp)
32 movl -12(%ebp), %eax
33 movl %eax, 4(%esp)
34 movl -8(%ebp), %eax
35 movl %eax, (%esp)
36 call add
37 movl %eax, -16(%ebp)
38 movl -16(%ebp), %eax
39 movl %eax, 4(%esp)
40 movl $.LC0, (%esp)
41 call printf
42 movl $.LC1, (%esp)
43 call puts
44 movl $0, %eax
45 addl $36, %esp
46 popl %ecx
47 popl %ebp
48 leal -4(%ecx), %esp
49 ret
50 .size main, .-main
51 .ident "GCC: (Ubuntu 4.3.2-1ubuntu12) 4.3.2"
52 .section .note.GNU-stack,"",@progbits



二、分析

下面对hello.s进行逐句分析。
第1行为gcc留下的文件信息；第2行标识下面一段是代码段，第3、4行表示这是add函数的入口，第5行为入口标号；6~12行为add函数体，稍后分析；13行为add函数的代码段的大小；14行指示下面是数据段；15~18行定义了main中要用到的两个字符串常量；19行同第二行，20、21行定义了main函数入口，22行为main入口标号。23行开始正式进入main函数，直至49行；50行为main函数代码段体积。51、52行为 gcc留下的信息。
下面从main函数开始单步分析每一句话，并跟踪堆栈状态。
初始状态，堆栈状态如图一：
高 +----------------+ <-- esp （栈顶） 高 +----------------+
｜ | | ｜ | |
｜ +----------------+ ｜ +

若干 +
｜ | ｜ ｜ | ｜
｜ +----------------+ ｜ +----------------+ <-- esp
｜ | ｜ ｜ | ｜
｜ +----------------+ ｜ +----------------+
V | | V | |
低 + .... + 低 + .... +
图一 图二

23 leal 4(%esp), %ecx
将esp所指地址加4得到的地址存入ecx。
24 andl $-16, %esp
－16的补码为11...10000，这句话使esp指针下移若干位，新地址末四位是0，故按16字节对齐，如图二。对齐是为了加速CPU访存。
25 pushl -4(%ecx)
将ecx所指地址（也就是程序开始时esp所指位置，如图一所示）的内容压栈。这个内容是eip。关于这句的用途，后面有详细解释。
26 pushl %ebp
将ebp压栈，保存ebp的值，以便在退出函数时恢复。
27 movl %esp, %ebp
将ebp移动到esp的位置。
28 pushl %ecx
将ecx的值压栈，保存，在退出函数时，通过这个值来恢复esp的初始值。
现在，堆栈状态如图三：
高 +----------------+ <-- old esp
｜ | |
｜ +---- 若干 ----+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | eip ｜ 25 pushl -4(%ecx)
｜ +----------------+ <-- ebp 27 movl %esp, %ebp
｜ | old ebp ｜ 26 pushl %ebp (we don't know what old ebp is, but we have to backup it)
｜ +----------------+ <-- esp
｜ | old esp+4 | 28 pushl %ecx (ecx =old esp + 4)
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
V | |
低 + .... +
图三
29 subl $36, %esp
esp向下移动36字节，留出空间给局部变量使用，每个存储单元4字节，故共9格。这里预留的空间有些多，在后续的分析中会发现，很多空都没用上。在第四部分的优化后的代码中也可以看到，36被优化成了20，预留的空间正好用满。
30 movl $3, -8(%ebp)
a = 3, 将a的值存入堆栈（加载到内存中）。
31 movl $4, -12(%ebp)
b = 4, 将b的值存入堆

栈（加载到内存中）。
32 movl -12(%ebp), %eax
33 movl %eax, 4(%esp)
将b的值调入寄存器，并且入栈，为调用add函数准备参数。
34 movl -8(%ebp), %eax
35 movl %eax, (%esp)
将a的值调入寄存器，并且入栈，为调用add函数准备参数。
36 call add
调用add函数。注意，在这里，call指令隐含执行了一条push %eip的指令，记录当前代码段执行的位置。
下面进入add函数代码。
6 pushl %ebp
将ebp值压栈保存。
7 movl %esp, %ebp
移动ebp至当前esp位置。
8 movl 12(%ebp), %edx
9 movl 8(%ebp), %eax
将两个参数加载到寄存器。
10 addl %edx, %eax
相加，结果存入eax寄存器。
11 popl %ebp
12 ret
出栈，恢复ebp原来的值，函数返回，结果保存在eax中。注意，在ret指令中隐含执行了pop %eip的指令，从pop出来的eip所指的代码处继续执行。
下面回到main函数中。
37 movl %eax, -16(%ebp)
将函数返回值存入堆栈（内存）。
38 movl -16(%ebp), %eax
将变量c的值加载到寄存器。（此句冗余，编译时加优化选项可消除）
39 movl %eax, 4(%esp)
40 movl $.LC0, (%esp)
将变量c的值和.LC0的地址存入堆栈，为调用printf函数准备参数。
41 call printf
调用printf函数，不跟踪分析。
这个过程中堆栈状态如图四：

高 +----------------+ <-- old esp
｜ | |
｜ +---- 若干 ----+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | eip ｜
｜ +----------------+
｜ | old ebp ｜
｜ +----------------+
｜ | old esp+4 |
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | 3 ｜ 30 movl $3, -8(%ebp) a = 3
｜ +----------------+
｜ | 4 ｜ 31 movl $4, -12(%ebp) b = 4
｜ +----------------+
｜ | 7 ｜ 37 movl %eax, -16(%ebp) eax中为add函数的返回值。
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | 4 / 7 ｜ 33 movl %eax, 4(%esp) / 39 movl %eax, 4(%esp)
｜ +----------------+ <-- esp (29 subl $36, %esp)
｜ | 3 / .LC0 ｜ 35 movl

%eax, (%esp) / 40 movl $.LC0, (%esp)
｜ +----------------+
｜ | eip ｜
｜ +----------------+ <-- ebp (7 movl %esp, %ebp)
｜ | ebp | 6 pushl %ebp
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
V | ｜
低 + .... +
图四

42 movl $.LC1, (%esp)
将.LC1地址存入堆栈，注意，这里gcc将printf“偷换”成了puts，所以只传一个参数。
43 call puts
调用puts函数。
44 movl $0, %eax
主函数将要返回0，将0存入eax寄存器。
45 addl $36, %esp
将esp回到函数开始时的位置。
46 popl %ecx
47 popl %ebp
48 leal -4(%ecx), %esp
这三句与程序开始正好相对，恢复寄存器状态到进入函数前的状态。开始的这句话：25 pushl -4(%ecx)，存入了esp初始时刻指向单元的内容（应该是eip），但整个程序中都没用上。
49 ret
从main函数返回，返回值由eax带回。图五是图三的拷贝，可以从此图看清楚备份了哪些东西。


高 +----------------+ <-- old esp
｜ | |
｜ +---- 若干 ----+
｜ | ｜
｜ +----------------+
｜ | eip ｜
｜ +----------------+
｜ | old ebp ｜
｜ +----------------+
｜ | old esp+4 |
｜ +----------------+
｜ | ｜
｜ +----------------+
V | |
低 + .... +
图五


三、总结

分析完这简单的代码后，我们进行一些小小的总结。
1、我们体会一些x86是如何使用堆栈的。堆栈是个动态的空间，在运行的过程中，其中保存的内容主要有两种：局部变量和堆栈转移时保存的指针（寄存器的值）。
2、esp是栈顶指针，pop和push操作将会自动调整esp的值，其他操作，除非esp作为算术运算的结果寄存器外，esp不会改变。个人觉得这里堆栈称之为堆栈有一点点不合理，因为对堆栈的操作并不是完全的pop/push操作的集合，更多的时候是直接通过地址来取数。发生函数调用时，4(%esp)是第一个参数，8(%esp)是第二个参数，依此类推，注意，这里加的4，是隐含指令push %eip导致的。push的操作，首先将esp向低地址方向移动4位，然后在这个单元里存入数据；pop的操作，现从esp所指向的单元里取出数据到指定寄存器，然后将esp向高地

址方向移动4位。
3、一个代码段（这里一个函数就是一个代码段）运行时使用堆栈空间中连续的空间，ebp总是指向当前运行中的函数的堆栈空间的第一个位置，也就是基地址的意思。一个代码段在存取自己所使用的数据时总是通过ebp来索引，而获取参数总是通过esp索引。所以在进入一个函数时，必须保存ebp的值，然后将 ebp指向自己的数据其实地址，在退出函数时，恢复ebp的值，使调用它的函数在它返回后能继续正常运行。在main函数开始时改变了esp的值，所以改变之前也需要备份esp的值。
4、函数返回值默认存放在eax寄存器中。
5、寻址方法：

?立即数寻址：$num，num为数值，也就是字面数值
?寄存器寻址：%reg，reg为任一寄存器，取出%reg中保存的值
?寄存器间址：disp(base, index, scale)，取出 (disp+base+index*scale) 所表示的内存单元中保存的内容。disp, index, scale都可以省略。

6、main函数中为何要按16字节对齐esp？Linux下面GCC默认的堆栈是16字节对齐的，而这样对齐是为了加快CPU访问效率。这里，不对esp进行16字节对齐并不会影响程序的正确执行。具体的解释参见瀚海xhacker的文章：

http://202.38.64.3/cgi/bbscon?bn=ASM&fn=M47918B7C&num=2388

7、25 pushl -4(%ecx)的作用。（以下解释摘自瀚海foxman和xhacker的帖子）

*** foxman ***

一般来说这不是必需的，当进入一个函数之后，堆栈是这样的

|返回地址 |
|old_ebp | <- ebp
| var1 |
| var2 |
| var3 |

也就是说在一个函数内部，是根据(ebp+4)来找到这个函数返回地址的。

不过对于main函数，进入之后需要堆栈16字节对齐(即andl $-16, %esp)，这样就在原
来的main返回地址，与old_ebp之间插入了一些padding字节。为了还能ebp找到main的返
回地址，所以这儿再一次将main的返回地址入栈pushl -4(%ecx)，在栈里放置在old_ebp
上方，如下：

| main返回地址 |
| 填充 |
| 填充 |
| main返回地址 |
| old_ebp | <- ebp
| ... |

一般gcc就是这么做的。 这么做主要是为了gcc扩展__builtin_return_address.

__builtin_return_address(LEVEL) 返回当前函数或其调用者的返回地址，参数LEVEL
指定在栈上搜索框架的个数，0 表示当前函数的返回地址，1 表示当前函数的调用
者所在函数的返回地址，依此类推。

这就是根据%ebp来找到返回地址的。

为了能使用__builtin_return_address(0)，就需要在push %ebp之前将main返回地
址入栈。如果你不用它，那就没什么问题


*** xhacker ***

另外再加上这个gcc的这个参数
-mpreferred-stack-boundary=x
x＝2，3，4 etc，表示栈要2^x字节对齐

cc -mpreferred-stack-boundary=2 -S aa.c
可以看

出此时没有那句push -4(%ecx)了，说明正是因为main的对齐，而为了仍然支持
__builtin_return_address扩展加上这条push指令了


***************



四、编译器优化后的代码
gcc -O3 -S -ohello_O3.s hello.c输出文件：
/* file: hello_O3.s */
1 .file "hello.c"
2 .text
3 .p2align 4,,15
4 .globl add
5 .type add, @function
6 add:
7 pushl %ebp
8 movl %esp, %ebp
9 movl 12(%ebp), %eax
10 addl 8(%ebp), %eax
11 popl %ebp
12 ret
13 .size add, .-add
14 .section .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
15 .LC0:
16 .string "a+b=%d/n"
17 .LC1:
18 .string "Hello World!"
19 .text
20 .p2align 4,,15
21 .globl main
22 .type main, @function
23 main:
24 leal 4(%esp), %ecx
25 andl $-16, %esp
26 pushl -4(%ecx)
27 pushl %ebp
28 movl %esp, %ebp
29 pushl %ecx
30 subl $20, %esp
31 movl $7, 8(%esp)
32 movl $.LC0, 4(%esp)
33 movl $1, (%esp)
34 call __printf_chk
35 movl $.LC1, (%esp)
36 call puts
37 addl $20, %esp
38 xorl %eax, %eax
39 popl %ecx
40 popl %ebp
41 leal -4(%ecx), %esp
42 ret
43 .size main, .-main
44 .ident "GCC: (Ubuntu 4.3.2-1ubuntu12) 4.3.2"
45 .section .note.GNU-stack,"",@progbits
从代码中，我们看到add函数虽然得到了相应的代码，但并没有被调用，而c=a+b则直接在编译时计算出了其值：7！其它地方并没有太多的优化。函数调用时相应的保存寄存器状态/返回时恢复等结构化的操作都没有改变。


五、进一步讨论

main函数的参数argc,argv是如何传递的？看下面的代码：
/* t.c */
1 #include
2
3 int main(int argc, char **argv){
4 char *c;
5 if(argc == 1)
6 return 1;
7 else{
8 c = argv[1];
9 puts(c);
10 }
11 return 0;
12 }
13

gcc -S -ot.s t.c的输出文件：
/* g.s */
1 .file "hello.c"
2 .text
3 .globl main
4 .type main, @function
5 main:
6 leal 4(%esp), %ecx
7 andl $-16, %esp
8 pushl -4(%ecx)
9 pushl %ebp
10 movl %esp, %ebp
11 pushl %ecx
12 subl $36, %esp
13 movl %ecx, -28(%ebp)
14 movl -28(%ebp), %eax
15 cmpl $1, (%eax)
16 jne .L2
17 movl $1, -24(%ebp)
18 jmp .L3
19 .L2:
20 movl -28(%ebp), %edx
21 movl 4(%edx), %eax
22 addl $4, %eax
23 movl (%eax), %eax
24 movl %eax, -8(%ebp)
25 movl -8(%ebp), %eax
26 movl %eax, (%esp)
27 call puts
28 movl $0, -24(%ebp)
29 .L3:
30 movl -24(%ebp), %eax
31 addl $36, %esp
32 popl %ecx
33 popl %ebp
34 leal -4(%ecx), %esp
35 ret
36 .size main, .-main
37 .ident "GCC: (Ubuntu 4.3.2-1ubuntu12) 4.3.2"
38 .section .not

e.GNU-stack,"",@progbits

这里面，第6~12行与之前相同，备份寄存器，移动esp，为代码段预留数据空间。执行完这一段后，这里，%ecx是一个“指针”，指向%esp+4的位置，也就是存放argc的位置。（注意，这里的指针不完全同于C语言中指针的概念，这里的指针是指某寄存器的值是一个内存单元的地址，C语言中，指针是指某变量的值是一个内存单元的地址。）
13 movl %ecx, -28(%ebp)
将ecx这个“指针”复制到堆栈。
14 movl -28(%ebp), %eax
再把这个“指针”加载到寄存器。
15 cmpl $1, (%eax)
注意，因为%eax中存放的是“指针”，所以这里有括号。(%eax)即为初始时刻的4(%esp)。
16 jne .L2
比较，如果argc!=1，跳转到.L2处。
17 movl $1, -24(%ebp)
18 jmp .L3
如果相等，将main函数欲返回的值存到堆栈中，并且跳转到.L3。
下面看.L2的内容：
20 movl -28(%ebp), %edx
注意，这里-28(%ebp)是指向存放argc单元的“指针”。
21 movl 4(%edx), %eax
再将这个指针向上移动4字节，取出其中的值，即为argv的地址，更准确的说是argv[0]的地址。argv在C语言中是char**型指针。也就是说，%eax-->argv[0]，(%eax)==argv[0]
22 addl $4, %eax
%eax(argv[0]的地址)是一个内存地址，加4后就变成argv[1]的地址。(%eax)==argv[1]
23 movl (%eax), %eax
再将这个地址的内容加载到%eax，此时%eax=argv[1]。
24 movl %eax, -8(%ebp)
注意，这里%eax外面没有括号，所以复制的是argv[1]，也就是一个char*型的参数。
25 movl -8(%ebp), %eax
将参数加载到寄存器，这句话有些冗余，优化后会被去除。
26 movl %eax, (%esp)
为puts准备参数。
27 call puts
28 movl $0, -24(%ebp)
从puts返回后，准备该分支main函数的返回值，0。可以看到，保存这个返回值的地方同17行。这样，无论从哪个分支出来，都可以直接返回-24(%ebp)的内容。
L3则是函数的一些扫尾工作，不需要再分析了。



六、实践

使用工具Insight跟踪运行hello和t两个文件（gcc -g -o hello hello.s，注意加上-g参数，可以保留汇编代码中的符号信息），观察call语句时push入栈的eip，观察数据段、代码段、堆栈段的地址，观察各寄存器值的变化，体会几种寻址方法。