Linux asm系统调用：32位和64位的区别

最近在学习系统调用，一段用asm内联汇编写的简单程序始终得不出正确的系统调用结果。经过提醒，我才了解到这是32位平台和64位平台的系统调用方法不同的原因。在此列出相关的程序和我的理解。

程序代码和问题

首先看如下一段简单的C程序（test.cpp）：

#include 
int main(){
    char str[] = "Hello\n";
    write(0, str, 6);
    return 0;
}

这段程序调用了write函数，其接口为：

int write(int fd /*输出位置句柄*/, const char* src /*输出首地址*/， int len /*长度*/)

fd为0则表示输出到控制台。因此上述程序的执行结果为：向控制台输出一个长度为6的字符串"Hello\n"。
在控制台调用gcc test.cpp，可以正确输出。
为了更好地理解在汇编代码下的系统调用过程，可把上述代码改写成内联汇编的格式（具体语法可参考上一篇博客：用asm内联汇编实现系统调用）：

//test_asm_A.cpp
int main(){
    char str[] = "Hello\n";
    asm volatile(
        "int $0x80\n\t"
        :
        :"a"(4), "b"(0), "c"(str), "d"(6)
        );
    return 0;
}

其中，4是write函数的系统调用号，ebx/ecx/edx是系统调用的前三个参数。
然而，执行gcc test_asm_A.cpp编译后，再运行程序，发现程序没有任何输出。一个很奇怪的问题是，如果采用如下test_asm_B.cpp的写法，则程序可以正常地输出：

//test_asm_B.cpp
#include 
#include <
int main(){
    char *str = (char*)malloc(7 * sizeof(char));
    strcpy(str, "Hello\n");
    asm volatile(
        "int $0x80\n\t"
        :
        :"a"(4), "b"(0), "c"(str), "d"(6)
        );
    free(str);
    return 0;
}

两段代码唯一的区别，是test_asm_A.cpp中的str存储在栈空间，而test_asm_B.cpp中的str存储在堆空间。
那么，为什么存储位置的不同会造成完全不同的结果呢？

原因分析

经过提醒，将上述代码用32位的方式编译，即gcc test_asm_A.cpp -m32和gcc test_asm_B.cpp -m32，可以发现两段代码都能正确输出。这说明，上述代码按32位编译，可以得到正确的结果。
如果没有-m32标志，则gcc默认按照64位方式编译。32位和64位程序在编译时有如下区别：

• 32位和64位程序的地址空间范围不同。
• 32位和64位程序的系统调用号不同，如本例中的write，在32位系统中调用号为4，在64位系统中则为1。
• 对于32位程序，应调用int $0x80进入系统调用，将系统调用号传入eax，各个参数按照ebx、ecx、edx的顺序传递到寄存器中，系统调用返回值储存到eax寄存器。
• 对于64位程序，应调用syscall进入系统调用，将系统调用号传入rax，各个参数按照rdi、rsi、rdx的顺序传递到寄存器中，系统调用返回值储存到rax寄存器。

再看上面两段代码，它们都是调用int $0x80进入系统调用，却按照64位方式编译，则会出现如下不正常情形：

• 程序的地址空间是64位地址空间。
• 0x80号中断进入的是32位系统调用函数，因此仍按照32位的方式来解释系统调用，即所有寄存器只考虑低32位的值。

再看程序中传入的各个参数，系统调用号（4），第1个和第3个参数（0和6）都是32位以内的，但是str的地址是64位地址，在0x80系统调用中只有低32位会被考虑。
这样，test_asm_A.cpp不能正确执行，而test_asm_B.cpp可以正确执行的原因就很明确了：

• 在test_asm_A.cpp中，str存储在栈空间中，而栈空间在系统的高位，只取低32位地址，得到的是错误地址。
• 在test_asm_B.cpp中，str存储在堆空间中，而堆空间在系统的低位开始，在这样一个小程序中，str地址的高32位为0，只有低32位存在非零值，因此不会出现截断错误。

可见，test_asm_B.cpp正确执行只是一个假象。由于堆空间从低位开始，如果开辟空间过多，堆空间也进入高位的时候，这段代码同样可能出错。

64位系统的系统调用代码

最后，给出64位系统下可正确输出的asm系统调用代码：

//test_asm_C.cpp
int main(){
    char str[] = "Hello\n";
    //注意：64位系统调用中，write函数调用号为1
    asm volatile(
        "mov %2, %%rsi\n\t"
        "syscall"
        :
        :"a"(1), "D"(0), "b"(str), "d"(6)
        );
    return 0;
}