程序的机器级表示

程序编码

机器级代码

数据格式

字word表示16位数据类型，32位数为双字double words，64位数为四字quad words。

在64位机器中指针长8字节。

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大多说GCC生成的汇编代码指令都有一个字符的后缀，表明操作数的大小。后缀l表示双字，32位被看成是长字long word。后缀l可以表示4字节整数和8字节双精度浮点数，但是并没有
歧义，因为浮点数使用的是一组完全不同的指令和寄存器。

访问信息

x86-64的CPU包含一组16个存储64位值的通用目的寄存器，用来存储整数数据和指针。

操作数指示符

大多数指令有一个或多个操作数，指示出执行一个操作中要 使用的源数据值以及放置结果的目的位置。

不同操作数可能被分为三种类型：

• 立即数，用来表示常数
• 寄存器，表示某个寄存器的内容
• 内存引用，它会根据计算出来的地址访问某个内存位置

数据传送指令

• movb 传送字节
• movw 传送字
• movl 传送双字
• movq 传送四字
• movabsq 传送绝对的四字

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MOVZ类中的指令把目的中剩余的字节填充为0，MOVS类中的指令通过符号扩展来填充，把源操作的最高位进行复制。

压入和弹出栈数据

栈指针%rsp保存着栈顶元素的地址

• pushq 将四字压入栈
• popq 将四字弹出栈

将一个四字值压入栈中，首先要将栈指针减8，然后将值写到新的栈顶地址。

弹出一个四字的操作包括从栈顶位置读出数据，然后将栈指针加8。

算数和逻辑操作

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加载有效地址

加载有效地址load effactive address，leaq，从内存读数据到寄存器，但是实际上它根本没有引用内存，它的第一个操作数看上去是一个内存引用，但该指令并不是从指定的位置读入数据，而是将有效地址写入到目的操作数。

一元和二元操作

一元操作，只有一个操作数，既是源又是目的。这个操作数可以是一个寄存器，也可以是一个内存位置。比如incq(%rsp)会使栈顶的8字节元素加1。

二元操作，第二个操作数既是源又是目的。

移位操作

位移操作，先给出位移量，然后第二项给出的是要移位的数。

特殊的算术操作

16字节的数称为8字oct word。

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控制

机器代码提供基本的低级机制来实现有条件的行为：测试数据值，然后根据测试的结果来改变控制流或者数据流。

jump指令合一改变一组机器代码指令的执行顺序。

条件码

CPU还维护着一组单个位的条件码寄存器，描述最近的算术或逻辑操作的属性，可以检测这些寄存器来执行条件分支指令。常用条件码有：

• CF进位标志，最近的操作使最高位产生了进位，可用来检查无符号操作的溢出。
• ZF零标志，最近的操作得出的结果为0。
• SF符号标志，最近的操作得到的结果为负数。
• OF溢出标志，最近的操作导致一个补码溢出，正溢出或负溢出。

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CMP指令根据两个操作数之差来设置条件码，不更新目的寄存器。

访问条件码

条件码通常不会直接读取，通常使用的方法有三种：

1. 可以根据条件码的某种组合，将一个字节设置为0或者1。
2. 可以条件跳转到程序的某个其他部分。
3. 可以有条件的传送数据。

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跳转指令

跳转jump指令会导致执行切换到程序中一个全新的位置。

jmp指令是无条件跳转，可以是直接跳转，也可以是间接跳转。

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跳转指令的编码

当执行PC相对寻址时，程序计数器的值是跳转指令后面的那条指令的地址，而不是跳转指令本身的地址。

用条件控制来实现条件分支

用条件传送来实现条件分支

这种方法计算一个条件操作的两种结果，然后再根据条件是否满足从中选取一个。

[图片上传中...(3.6.6.png-60dbbc-1512226556317-0)]

循环

do-while，while，for，汇编中没有相应的指令存在，可以用条件测试和跳转组合起来实现循环的效果。

switch语句

跳转表是一个数组，表项i是一个代码段的地址，这个代码段实现当开关所以in值等于i时程序应该采取的动作。

过程

过程的形式多样：函数function，方法method，子例程subroutine，处理函数handler。

运行时栈

x86-64的栈向低地址方向增长，而栈指针%rsp指向栈顶元素，可以用pushq和popq指令将数据存入栈中或是从栈中取出。

当x86-64过程需要的存储空间超出寄存器能够存放的大小时，就会在栈上分配空间，这部分成为过程的栈帧stack fram。

过程P可以传递最多6反而整数值，也就是指针和整数，但是如果Q需要更多的参数，P可以在调用Q之前在自己的栈帧里存储好这些参数。

转移控制

将控制从函数P转移到Q，只需把程序计数器PC设置为Q的代码的起始位置，当从Q返回的时候，处理器必须记录好它需要继续P的执行的代码的位置，在x86-64机器中，这个信息是用指令call Q调用过程Q来记录的。该指令会把地址A压入栈中，并将PC设置为Q的其实地址，压入的地址A称为返回地址，是紧跟在call指令后面的那条指令的地址。指令ret会从栈中弹出地址A，并把PC设置为A。

call指令有一个目标，指明被调用过程起始的指令地址，调用可以是直接的，也可以是间接的。

数据传送

x86-64中大部分过程间的数据传送是通过寄存器实现的。

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如果一个函数有大于6个整形参数，超出6个的部分就要通过栈来传递。通过栈传递参数时，所有数据大小都向8的倍数对齐。

栈上的局部存储

有时候局部数据需要放在内存中，常见情况包括：

• 寄存器不足够存放所有的本地数据。
• 对一个局部变量使用地址运算符&，因此必须能够为它产生一个地址。
• 某些局部变量是数组或结构，因此必须能通过数据或结构引用被访问到。

一般来说，过程通过减小栈指针在栈上分配空间。分配的结果作为栈帧的一部分，标号为局部变量。

寄存器中的局部存储空间

寄存器组是唯一被所有过程共享的资源。

递归过程

数组分配和访问

基本原则

指针运算

嵌套的数组

定长数组

变长数组

异质的数据结构

结构

struct，类似于数组的实现，结构中所有组成部分都放在内存中一段连续的区域内，指向结构的指针就是结构第一个字节的地址。

联合

union

数据对齐

在机器级程序中将控制于数据结合起来

内存越界引用和缓冲区溢出

对抗缓冲区溢出攻击

• 栈随机化
• 栈破坏检测
• 限制可执行代码区域

支持变长栈帧

为了管理变长栈帧，x86-64代码使用寄存器%rbp作为帧指针，或者基指针。

浮点代码

浮点传送和转换操作

过程中的浮点代码

浮点运算操作

定义和使用浮点常数

在浮点代码中使用位级操作

浮点比较操作