作者：r1ce
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《Linux內核分析》 MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
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。那么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，后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。那么高級語言到0和1之間，看起來好像隔着很大的一條鴻溝，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。
匯編語言究竟是什么東西呢？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，內存存放着指令和數據，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. 待處理的數據在哪里；2. 如何處理數據；3. 處理好的數據放在哪里。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：
1 int a(int x) 2 { 3 return x + 5; 4 } 5 6 int b(int x) 7 { 8 return a(x); 9 } 10 11 int main(void) 12 { 13 return b(5) - 2; 14 }
可以看到程序中有很多函數的調用和返回。為什么要這樣設置呢？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。然后使用
gcc -S -o main.s main.c -m32
命令生成匯編代碼。結果如下圖。后面加-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。
1 a: 2 3 pushl %ebp 4 movl %esp, %ebp 5 movl 8(%ebp), %eax 6 addl $5, %eax 7 popl %ebp 8 ret 9 10 b: 11 12 pushl %ebp 13 movl %esp, %ebp 14 subl $4, %esp 15 movl 8(%ebp), %eax 16 movl %eax, (%esp) 17 call a 18 leave 19 ret 20 21 main: 22 23 pushl %ebp 24 movl %esp, %ebp 25 subl $4, %esp 26 movl $5, (%esp) 27 call b 28 subl $2, %eax 29 leave 30 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。那么我們來看函數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，最后得到的數值應該是5+5-2=8。
再來看匯編代碼，我們還是從main函數看起，一條指令一條指令地分析。第n條表示指令執行的順序，后面列出了代碼的行號和執行的指令。
第1條：23 pushl %ebp
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，后進先出。先把ebp壓棧，實際上是先將esp-4再將ebp放到棧當前位置。
第2條：24 movl %esp, %ebp
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：25 subl $4, %esp
將esp-4。
第4條：26 movl $5, (%esp)
將5移入esp指向的地址中。
第5條：27 call b
調用函數b，這里等於兩個操作，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：12 pushl %ebp
第7條：13 movl %esp, %ebp
第8條：14 subl $4, %esp
此時已跳轉到b函數，指令之前已經講過了，與7、8條一起不再贅述。
第9條：15 movl 8(%ebp), %eax
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：16 movl %eax, (%esp)
將eax的內容放入現在esp指向的內容中。
第11條：17 call a
調用函數a，與前面的步驟類似。
第12條：3 pushl %ebp
第13條：4 movl %esp, %ebp
第14條：5 movl 8(%ebp), %eax
是a函數的pushl %ebp，與13、14條一同省略。
第15條：6 addl $5, %eax
將eax中的值+5得到10。
第16條：7 popl %ebp
將現在esp指向的內容放入ebp，esp+4，所以現在ebp=4。
第17條：8 ret
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：18 leave
leave，表示兩條指令，movl %ebp,%esp和popl %ebp。
第19條：19 ret
ret回到main函數，從28處執行。
第20條：28 subl $2, %eax
將eax中的內容-2，即8。
第21條：29 leave
第22條：30 ret
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，然后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么，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。