C語言轉化到匯編解讀棧在計算機中的作用

從C到匯編：棧是計算機工作的基礎
         作者：r1ce        原創作品轉載請注明出處       《Linux內核分析》 MOOC課程          關於計算機是如何工作的，這是一個容易概括卻難以詳解的問題。大家非常清楚的馮諾依曼體系，以存儲程序為最重要的特性，實際上就是CPU像一個大管家一樣，通過種種方式在浩如煙海的內存中，找出需要執行的指令，和需要使用的數據。那麼CPU如何區分指令和數據，如何知道確定指令執行的順序呢？        我們先從上至下來看計算機。普通用戶使用計算機上的軟件，軟件是由程序員編寫的，一般使用高級語言，如Python、C、Java等，這些語言易於人類理解、閱讀和編寫，但是計算機卻不能直接識別。無論是Python還是C，前者需要通過解釋器來執行，後者需要編譯器編譯為可執行文件。計算機最底層的實現是基於電路實現0和1的識別，這也是可執行文件的真貌——一大堆0和1的表示。那麼高級語言到0和1之間，看起來好像隔著很大的一條鴻溝，於是匯編語言作為二者的中介，便顯得十分重要了。向上而言，高級語言可以用匯編語言表示；向下而言，每一個匯編語言的指令都可以用二進制0和1表示，從而被計算機CPU識別。理解了匯編語言的操作過程，也就能夠理解計算機究竟是如何工作的。        匯編語言究竟是什麼東西呢？想要理解匯編語言，要先理解計算機的組成。為了簡化，只提CPU和內存。CPU是處理器，內存存放著指令和數據，處理器就像一個管家，從內存中取指令執行，對數據進行出來，並將數據儲存起來。對於CPU來說，每一個程序的執行要解決三個問題：1. 待處理的數據在哪裡；2. 如何處理數據；3. 處理好的數據放在哪裡。為了解決這三個問題，CPU需要借助一些工具的幫助，這些工具就是各種寄存器。匯編語言實際上就是對這些寄存器進行處理，通俗點說，就是把一大堆數據在寄存器和內存倒騰過來倒騰過去，做一些復制和加加減減的運算。其實學習匯編語言很簡單，只要記住十幾條匯編指令和各種寄存器以及堆棧的用法就可以了。        在這篇文章中，我們通過對一個簡單的C程序反匯編得到匯編代碼，分析匯編代碼來了解計算機工作的基礎。        這段C程序是這樣的：

 int a(int x)
 {
       return x + 5;
 }
 
 int b(int x)
 {
       return a(x);
 }
 
 int main(void)
 {
       return b(5) - 2;
 }

       可以看到程序中有很多函數的調用和返回。為什麼要這樣設置呢？因為程序中的函數調用時計算機工作運行的關鍵，分析函數調用的具體實現能夠幫助理解計算機運行的原理。        我們將上述代碼寫入main.c文件中。然後使用

gcc -S -o main.s main.c -m32

       命令生成匯編代碼。結果如下圖。後面加-m32是為了讓其按照32位的方式反匯編。

 

       我們只需要看匯編代碼的關鍵部分，可以把點開頭的語句全部刪去，得到如下的匯編指令。

 a:
 
     pushl    %ebp
     movl    %esp, %ebp
     movl    8(%ebp), %eax
     addl    $5, %eax
     popl    %ebp
     ret
 
 b:
 
     pushl    %ebp
     movl    %esp, %ebp
     subl    $4, %esp
     movl    8(%ebp), %eax
     movl    %eax, (%esp)
     call    a
     leave
     ret
 
 main:
 
     pushl    %ebp
     movl    %esp, %ebp
     subl    $4, %esp
     movl    $5, (%esp)
     call    b
     subl    $2, %eax
     leave
     ret

       接下來我們分析C代碼和匯編程序究竟是如何對應起來的，以及匯編語言是如何工作的。        我們先看C程序，從main函數看起，它返回了一個函數b再進行運算的結果。那麼我們來看函數b，它返回的是函數a的結果，而函數a的作用是將傳遞給它的參數x加5。所以對於這個程序，最後得到的數值應該是5+5-2=8。        再來看匯編代碼，我們還是從main函數看起。一看到push，我們就知道這是在對棧進行操作。ebp是棧頂指針，esp是棧當前位置指針，棧是自上向下生長的，後進先出。先把ebp壓棧，實際上是先將esp-4再將ebp放到棧當前位置。這是第1條指令。        第2條指令將esp的值放到ebp中，也就是說現在ebp的指向改變為esp的指向。第3條指令將esp-4。第4條指令將5移入esp指向的地址中。第5條指令調用函數b，這裡等於兩個操作，一個是先將現在的eip入棧，此時eip應為subl $2,%eax這條指令的位置，我們記為28。另一個操作是將b函數的地址放入eip，也就是說此時程序要從10開始執行。        第6條指令為pushl %ebp，之前已經講過了，與7、8條一起不再贅述。第9條movl 8(%ebp), %eax，是將ebp的值+8指向的內容放入eax，實際上就是eax = 5。第10條指令將eax的內容放入現在esp指向的內容中。第11條指令調用函數a，與前面的步驟類似。第12條指令是a函數的pushl %ebp，與13、14條一同省略。第15條將eax中的值+5得到10。第16條將現在esp指向的內容放入ebp，esp+4，所以現在ebp=4。第17條指令是ret，即popl %eip，也就是現在的eip更改為18，回到函數b，從leave開始執行。第18條指令leave，表示兩條指令，movl %ebp,%esp和popl %ebp。第19條指令ret回到main函數，從28處執行。第20條指令，將eax中的內容-2，即8。第21條和第22條如圖所示。從圖中我們可以看到，棧又回到了初始的位置。               至此，匯編代碼就分析完了。        從上面的過程可以看出，計算機最本質的工作原理，是對存儲的數據進行處理，並把結果保存，然後不斷循環這個處理數據的過程。指令就是對數據進行處理的依據。具體的方法就是借助CPU中的寄存器，以及內存中的棧，依據一個約定的步驟對數據進行操作。計算機其實很簡單，它是一個認死理的家伙，只要確定了每一步要做什麼，它就會嚴格地按照步驟把操作完成，絕對不打折扣。因此，相比與人打交道，與計算機打交道可是要輕松多了。