不忽視匯編
較於我們日常接觸的高級語言，諸如c語言，c++，java等等，匯編語言是更接近機器的語言，它的常用操作簡單到把一個數值（立即數，寄存器數或者存儲器數據）加載到寄存器，正是這樣，所以讓匯編完成一個程序任務，過程會比較晦澀；高級語言隱藏了很多的機器細節（比如過程（函數）棧幀的初始化，以及過程結束時棧幀的恢復），代碼清晰易懂。
真佩服六七十年代那些大牛們，都是怎么過來的...膜拜膜拜。寫一個100以內整數的和，即使有充分的匯編文檔，這也足夠折騰我一陣子，太惡心了。但是了解匯編的行為方式和其中的一些重要細節，有助於理解計算機軟件和硬件的工作方式。我就一個簡單的算法來認識一下匯編。
過程匯編前奏
過程可以理解為c中的函數，當調用者（caller）調用被調用者（be caller）的時候，系統會為被調用者在棧內分配空間，這個空間就稱為棧幀。棧的結構大概如下：
程序棧是向低地址生長的棧，與數據結構當中的棧結構類似，有后進先出的性質，寄存器%esp（stack pointer）保存棧頂指針的地址，寄存器%ebp（** pointer）保存幀指針的地址。 程序執行的時候，棧指針可以移動，以便增大或者縮小程序棧的空間，而幀指針是固定的，因為大多數程序棧中存儲的數據都是相對於幀指針的（幀指針+偏移量）。
當調用者調用另一個過程的時候：
- 首先，如果這個被調用過程如果有參數的話，調用的棧幀中會構造這些參數，並存入到調用者的棧幀中（所以上面的圖參數n...參數1，就是這個原因了）；
- 將返回地址入棧。返回地址是當被調用過程執行完畢之后，調用者應該繼續執行的指令地址；它屬於調用者棧幀的部分，形成了調用者棧幀的末尾
- 到這一步就進入了被調用者的棧幀了，所謂當前棧幀。保存調用者的幀指針，以便在之后找回調用者的程序棧；
- 最后進入程序執行，一般過程會sub 0xNh %esp來分配當前程序棧的大小，用來存取臨時變量啊，暫存寄存器的值啊等等。
- 如果被調用者又要調用另一個過程，回到第一步即可；
- 當過程結束之時，會將棧指針，幀指針恢復，經常會在反匯編中看到如下：
同時，返回地址會被恢復到PC。mov %esp,%ebp
pop %ebp - 這時回到了打調用者應該繼續執行的地方。
上面的文字可以更概括，反匯編一個過程（函數）會有建立（初始化），主體（執行），結束（返回）。之前很容易把棧和堆搞混（不是數據結構里面），找到一個好文章與大家分享：棧和堆的區別。據說被轉了無數次了，說明寫的不錯。 過程調用和返回在匯編語言中分別用call和ret（return）來實現。call和ret的做法不是很透明，
- call將返回地址入棧，並將PC跳轉到被調用過程的起始地址；
- ret與call相反，從棧中彈出返回地址，並跳轉PC。
具體看圖：
關於匯編代碼格式
匯編代碼最為常見的是ATT和intel匯編代碼格式，ATT應該較為古老，但卻是GCC，OBJDUMP的默認格式。需要注意的是在帶有多個操作數的指令的情況下，列出操作數順序兩者是相反的，所以在思路上很容易混淆。例如實現%esp→%eax，有如下區別。
mov eax,esp
#ATT
movl %esp,%eax
因為受到書本的影響，所以我習慣在寄存器前加上“%”，並且我更偏好ATT格式的匯編代碼。
反匯編具體分析
（下面的程序棧圖，我把參數入棧我在標明“參數i=？”，這可能會有點疑惑，如果“參數x=？”這樣會更好，:)）
有一個簡單程序，先不管它實現了什么功能，看下去，絕對會有收獲的。給出的c代碼是：
View Code
using namespace std ;
int fun(unsigned int x)
{
if(x == 0)
return 0 ;
unsigned int nx = x>> 1 ;
int rv = fun(nx) ;
return (x & 0x01)+rv ;
}
int main()
{
unsigned int i = 12 ;
fun(i) ;
return 0 ;
}
在vs2008下debug查看匯編代碼有如下反匯編代碼，因為晦澀，所以摘抄了如下：
View Code
int fun(unsigned int x)
{
004113A0 push ebp
004113A1 mov ebp,esp
004113A3 sub esp,0D8h
004113A9 push ebx
004113AA push esi
004113AB push edi
004113AC lea edi,[ebp-0D8h]
004113B2 mov ecx,36h
004113B7 mov eax,0CCCCCCCCh
004113BC rep stos dword ptr es:[edi]
if(x == 0)
004113BE cmp dword ptr [x], 0
004113C2 jne fun+28h (4113C8h)
return 0 ;
004113C4 xor eax,eax
004113C6 jmp fun+48h (4113E8h)
unsigned int nx = x>> 1 ;
004113C8 mov eax,dword ptr [x]
004113CB shr eax, 1
004113CD mov dword ptr [nx],eax
int rv = fun(nx) ;
004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
004113D3 push eax
004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp, 4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
return (x & 0x01)+rv ;
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax, 1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
}
004113E8 pop edi
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+ 315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
int main()
{
00411420 push ebp
00411421 mov ebp,esp
00411423 sub esp,0CCh
00411429 push ebx
0041142A push esi
0041142B push edi
0041142C lea edi,[ebp-0CCh]
00411432 mov ecx,33h
00411437 mov eax,0CCCCCCCCh
0041143C rep stos dword ptr es:[edi]
unsigned int i = 12 ;
0041143E mov dword ptr [i],0Ch
fun(i) ;
00411445 mov eax,dword ptr [i]
00411448 push eax
00411449 call fun (4110E6h)
0041144E add esp, 4
return 0 ;
00411451 xor eax,eax
}
00411453 pop edi
00411454 pop esi
00411455 pop ebx
00411456 add esp,0CCh
0041145C cmp ebp,esp
0041145E call @ILT+ 315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
00411463 mov esp,ebp
00411465 pop ebp
00411466 ret
上面的代碼，在第一句就間接道明了fun的地址。可以看到在call fun之前會有一段准備：
View Code
00411445 mov eax,dword ptr [i]
00411448 push eax
00411449 call fun (4110E6h)
0041144E add esp, 4
00411445h的指令就將fun的參數（此時i=6，還記得上面的圖嗎，參數n-參數1）和返回地址入棧，然后PC跳至004110E6h，此時main的棧幀如下：
借助jmp跳至004113A0h，正式進入fun函數。fun內首先保存了幀指針和被調用者保存寄存器和其他相關數據，只有當參數x==0的時候才會終止函數的運行，故在遞歸調用（注意，是遞歸調用，而不是調用）fun之前（即call fun之前），有如下：
圖
所以，一直遞歸下去的話：
直到x==0，此時會進入if的分支執行步驟。
View Code
004113BE cmp dword ptr [x], 0
004113C2 jne fun+28h (4113C8h)
return 0 ;
004113C4 xor eax,eax
004113C6 jmp fun+48h (4113E8h)
在匯編中，會用到異或xor邏輯運算來對一個寄存器清零（004113C4h地址的指令），由於x==0，PC跳至004113E8h，執行返回。
View Code
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+ 315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
在這里把被保存的寄存器值都彈出來，恢復棧歸位，留意其中針對%esp和%ebp的操作；執行ret操作，返回，
程序繼續執行：
View Code
# 004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
# 004113D3 push eax
# 004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp, 4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
rv = 0;
可以看到，處理器釋放了棧上的內存（%esp+4，還記得嗎，棧是向低地址增長的），因為在call之前，也就是00411448h地址處，調用者也就是main函數將%eax參數入棧，接着fun退出之后，參數的內存也就理所當然的要釋放掉。聯想一下，如果參數有很多個，那么call之前就會有多個push，對應的，call之后就會有“add %esp n”的操作將其釋放。接着將%eax（在寄存器是用習慣當中，%eax經常被用作返回值寄存器）的值給了rv，如此一來rv就順理成章地得到了fun的返回值。接下來：
View Code
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax, 1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
%eax←(x&0x01)+rv = 0x01&0x01 + 0 = 1;（提示：從這里開始體會fun的功能）
簡單的將x&0x01+rv后送入%eax（記得嗎，%eax經常被用作返回值寄存器），此時可能會有疑問，x是從哪里來的，答案是x存在調用者的棧幀內，而非被調用者的棧幀，因為x是函數的一個參數，dword ptr [x]應該就是對讀取了調用者棧幀中的x參數。該是恢復棧的時候了：
View Code
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+ 315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
恢復棧幀，執行ret，如圖：
fun又成功返回了，程序繼續：
View Code
# 004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
# 004113D3 push eax
# 004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp, 4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
rv = %eax = 1;
又回到了剛才走過的地方，但是數據有異。接下來程序執行return退出：
View Code
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax, 1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
%eax←(x&0x01)+rv = 0x3&0x01 + 1 = 2;又該是ret的時候了，恢復棧：
View Code
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+ 315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
棧幀結構如圖：
還差一次，返回之后程序繼續執行：
View Code
# 004113D0 mov eax,dword ptr [nx]
# 004113D3 push eax
# 004113D4 call fun (4110E6h)
004113D9 add esp, 4
004113DC mov dword ptr [rv],eax
rv = %eax = 2;
接下來程序return退出（不累贅了）：
View Code
004113DF mov eax,dword ptr [x]
004113E2 and eax, 1
004113E5 add eax,dword ptr [rv]
004113E8 pop edi
004113E9 pop esi
004113EA pop ebx
004113EB add esp,0D8h
004113F1 cmp ebp,esp
004113F3 call @ILT+ 315(__RTC_CheckEsp) (411140h)
004113F8 mov esp,ebp
004113FA pop ebp
004113FB ret
至此，程序完全退出了fun的遞歸過程，回到了主函數main，main也有自己的棧幀，因為main也是一個函數。下圖：
View Code
# 00411445 mov eax,dword ptr [i]
# 00411448 push eax
# 00411449 call fun (4110E6h)
0041144E add esp, 4
return 0 ;
00411451 xor eax,eax
0x0041144E處，add %esp,4，目的是釋放一開始入棧的fun的參數，而主函數返回0（return 0），也是用到了異或邏輯運算xor來講%eax清零。
到這里，相信有點明白了，在遞歸調用過程中，程序棧是如何變化的，並且上面的函數計算參數i中位的和。
收獲
發現這樣一個小小的遞歸程序，分析起它反匯編如有一種返璞歸真的感覺，對理解“遞歸調用”會更為清晰的思路。縱觀上面的分析，遞歸調用雖然是算法中解決問題常用的方法，但是它對付起龐大遞歸次數的程序來說（上面因為分析所以選取的遞歸次數較少），非常消耗內存。 所以在寫程序的時候，在時間和空間的消耗抉擇上，需要謹慎。通過學習匯編和反匯編代碼的分析，將更了解機器的行為，從而寫出更為高效的代碼。
文章有點長，歡迎討論。
搗亂小子 2012年2月8日星期三