CSAPP 机器指令基本概念

Machine Level Programming - I Basic

Moving Data

moveq [source],[dest] (by the way moveq的q代表quad)

source:立即数， 寄存器，内存

dest： 寄存器 内存

(r)–>mem[reg[r]]

d(r)—>mem[reg[r]+d]

d(rb,ri,s) —>mem[reg[rb]+s*reg[ri]+d] rb代表基地址，ri代表索引，s代表索引长度，一般用于数组

例如leaq 4(%rdi,%rdx) ,%rcx ====>rdi+rdx+4存到rcx中

地址计算指令

leaq [src] [dest] src一个地址，dest寄存器，直接算，不用从地址取值

  1. 相当与c语言中的&

  2. 计算x+k*y，k=1，2，4，8 例如 leal (%eax, %eax, 2) , % eax

当用法第一种时

%eax = 0x1

adress : 0x1—> value: 0x88

adress:0x3—> value 0x77

那么

leal 2(%eax) , % eax 执行完之后， eax的值是0x3（指针）

movl 2(%eax) , % eax 执行完之后，eax的值是0x77（指针的值）

当用法第二种时

x*12

leaq(%rdi,%rdi,2),%rax

sqlq $2, %rax

rax=rdi+2rdi=x*3

然后再rax的值左移两位

Machine Level Programming - II-Control

条件码

CF carry flag 进位

ZF zero flag 0标志

SF sing flag 负数

OF 补码溢出

用途

cmpq src2 src1，根据两个数之差来设置条件码

条件分支

第一种使用有条件jump，判断然后跳转到指定代码行

第二种使用conditional move，两个结果计算出来，然后选择我们需要的

(由于流水线技术，if中的判断，if的结果，else的结果都可以计算出来，性能更好)

Machine Level Programming - III - Procedures

  1. 传递控制（方法调用
  2. 传递值 (传参数
  3. 内存管理 （分配内存，回收内存

Stack

用栈来管理procedure的过程，stack越下面地址越大，越往上越小

POP : read by %rsp， %rsp++, value to dest

PUSH: fetch from src, %rsp–, value to %rsp所指的地方

方法调用过程

%rsp指向当前栈里面某处地址，%rip指向程序执行的地址

当发生调用做两件事情，

1. %rsp--，栈里保存的是方法调用完成后的下一条指令的地址（等方法返回继续从这里执行），
1. %rip(pc)指向被调用代码的位置

1. 寄存器分类

%rbx,%rbp, %r12–%r15 are classified as callee-saved registers

%rdi %rsi %rdx %rcx %r8 %r9 caller-saved registers

image-20231113114233452

%rsp %rbp栈指针：%rbp% 指向栈底， %rsp指向栈顶来，限制栈帧的范围

%rax 保存function 的返回结果

%rip 下一条将要被执行的指令的逻辑地址

2. Stack

image-20231114155735683 image-20231114155112689

存三种值，假如P call Q

  1. Arguement区：当前栈帧的为下一个被调用函数栈帧构造参数的区域
  2. LocalVariables区：当前栈帧的函数里的局部变量
  3. Saved regiisters区: 当前栈帧的调用函数的寄存器值，当P再使用rsi和rsi，又调用了Q，Q也要使用rdi rsi，所以需要先保存P的寄存器值，防止被重写

3. Control Transfer

call：被调用方法返回后的下一条指令地址（return address）push 到stack，然后pc设置为被调用方法的首地址

ret：pop出return address，然后pc设置为return address

4. Data Transfer（1.Arguement区）

image-20231113135005671

例如proc(a1,a1p,a2,a2p,a3,a3p,a4,a4p)

首先前6个参数 a1,a1p,a2,a2p,a3,a3p 存在寄存器中

之后超过6个的参数先 a4p 进栈， 在a4进栈(Arguement区), （从后往前进）

注意：Arguement区是为被调用函数的构造参数的区域，下一个函数需要哪些参数从这里面取

image-20231113135024111

5. Local Storage on Stack（2.Local variables区）

局部变量存在stack的例子，局部变量也是按倒序来存的

image-20231113152245467

image-20231113152301378

上图中分为两个部分

  1. x1, x2, x3,x4,四个局部变量所以，这四个参数存在local variable区，如下图 局部变量在stack不用对齐

  2. 之后还要构造八个参数x1, x2, x3,x4，&x1,& x2,&x3,&x4，6个在寄存器中，剩下两个在Local variables 区,参数变量在stack要对齐

image-20231113152437223

6. Local Storage in Registers（3.Saved registers区）

Saved registers分两种 callee-save和calleer-save，用哪种都可以。

P调用Q，P的寄存器(例如rdi,rsi), 可能也会被Q用到，那么Q就会覆盖掉P寄存器的内容，所以使用rbx或rbp（calleer-save regster），这种Q用不到的（无法覆盖）寄存器先去保存（rdi，rsi）到P的栈帧中，然后等Q用完再弹出来即可恢复数据。

下图中5-6行，把rdi和rsi交给rbx和rbp，rbx和rbp又存在栈上的，13-14行再弹出来恢复即可。

image-20231113192710103

总结

栈帧压栈的顺序是

先看有没有需要保存的被调用者寄存器，有的话压栈，（Saved registers）

随后看有没有多余的不满足条件的局部变量，有的话压栈，（Local variables，寄存器用完了存stack）

随后看有没有满足条件的局部变量，有的话压栈，（Local variables，指针，数组存stack）

随后看有没有多余的需要构造的参数，有的话压栈，（arguments大于6个存stack）

随后用call来调用函数并保存返回地址，函数返回后继续运行

运行到最后时，若之前有需要保存的被调用者寄存器，则把值从栈中弹回到对应的寄存器。