20155228 2017-2018-1 《程序设计与数据结构》第五周学习总结
教材学习内容总结
X86寻址方式经历三代
- DOS时代的平坦模式，不区分用户空间和内核空间，很不安全
- 8086的分段模式
- IA32的带保护模式的平坦模式
ISA的定义
计算机系统使用了多种不同形式的抽象，利用更简单的抽象模型来隐藏实现的细节。对于机器级编程来说，其中两种抽象尤为重要。第一种是由指令集体系结构或指令集架构(Instruction Set Architecture, ISA)来定义机器级程序的格式和行为，它定义了处理器状态、指令的格式，以及每条指令对状态的影响。大多数ISA，包括x86-64，将程序的行为描述成好像每条指令都是按顺序执行的，一条指令结束后，下一条再开始。处理器的硬件远比描述的精细复杂，它们并发地执行许多指令，但是可以采取措施保证整体行为与ISA指定的顺序执行的行为完全一致。
Intel和ATT格式的不同
- Intel代码省略了指示大小的后缀。我们看到指令push和~，而不是pushq和movqo
- Intel代码省略了寄存器名字前面的‘%’符号，用的是rbx，而不是%0orbxoIntel- 代码用不同的方式来描述内存中的位置，例如是'QWORD PTR [rbx]'而不是'(%rbx)'。
- 在带有多个操作数的指令情况下，列出操作数的顺序相反。
数据格式
访问信息
操作数提示符
有多种不同的寻址模式，允许不同形式的内存引用。表中底部用语法Imm(rb,ri,s)表示的是最常用的形式。这样的引用有四个组成部分:一个立即数偏移Imm，一个基址寄存器rb，一个变址寄存器ri和一个比例因子s，这里:必须是1, 2, 4或者8。基址和变址寄存器都必须是64位寄存器。有效地址被计算为Imm+R[rb]十R[i]*s。引用数组元素时，会用到这种通用形式。其他形式都是这种通用形式的特殊情况，只是省略了某些部分。正如我们将看到的，当引用数组和结构元素时，比较复杂的寻址模式是很有用的。
数据传送指令
- MOV相当于C语言的赋值"="，注意ATT格式中的方向
- 注意不能从内存地址直接MOV到另一个内存地址，要用寄存器中转一下。
push和pop
- 两个数据传送操作可以将数据压入程序栈中，以及从程序栈中弹出数据，栈在处理过程调用中起到至关重要的作用。栈是一种数据结构，可以添加或者删除值，不过要遵循“后进先出”的原则。通过push操作把数据压入栈中，通过pop操作删除数据;它具有一个属性:弹出的值永远是最近被压人而且仍然在栈中的值。栈可以实现为一个数组，总是从数组的一端插人和删除元素。这一端被称为找顶。在x86-64中，程序栈存放在内存中某个区域。如图3-9所示，栈向下增长，这样一来，栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的，栈指针%rsp保存着栈顶元素的地址。
- 注意栈顶元素的地址是所有栈中元素地址中最低的。
算术和逻辑运算
控制
CMP指令根据两个操作数之差来设置条件码。除了只设置条件码而不更新目的寄存器之外，CMP指令与SUB指令的行为是一样的。在ATT格式中，列出操作数的顺序是相反的，这使代码有点难读。如果两个操作数相等，这些指令会将零标志设置为1，而其他的标志可以用来确定两个操作数之间的大小关系。TEST指令的行为与AND指令一样，除了它们只设置条件码而不改变目的寄存器的值。
跳转指令
if-else
long fact_do(long n)
{
long result=1;
do{
result*=n;
n=n-1;
}while (n>1);
return result;
}
fact_ do:
movl $1，%eax
.L2:
imulq }rdi，frax
subq $1，%rdi
cmpq $1，%rdi
Jg .L2
rep; retdo-while
long fact_do(long n)
{
long result=1;
do{
result*=n;
n=n-1;
}while (n>1);
return result;
}
while
long fact_while(long n)
{
long result=1;
while (n>1){
result*=n;
n=n-1;
}
return result;
}
fact_ while:
movl $1，%eax
jmp .L5
.L6:
imulq %rdi，%rax
subq $1，%rdi
.L5:
cmpq $1，%rdi
jg .L6
rep; retswitch
void switch_eg(long x, long n,
long *dest)
{
long val=x;
switch (n){
case 100:
val*=13
break;
case 102:
val+=10;
/*Fall through*/
case 103:
val+=1i;
break
case
case
104:
106:
val*=val;
break;
default:
val=0;
}
*dest=val;
}
运行时栈
C语言过程调用机制的一个关键特性(大多数其他语言也是如此)在于使用了栈数据结构提供的后进先出的内存管理原则。在过程P调用过程Q的例子中，可以看到当Q在执行时，P以及所有在向上追溯到P的调用链中的过程，都是暂时被挂起的。当Q运行时，它只需要为局部变量分配新的存储空间，或者设置到另一个过程的调用。另一方面，当Q返回时，任何它所分配的局部存储空间都可以被释放。因此，程序可以用栈来管理它的过程所需要的存储空间，栈和程序寄存器存放着传递控制和数据、分配内存所需要的信息。当P调用Q时，控制和数据信息添加到栈尾。当P返回时，这些信息会释放掉。
call
call指令有一个目标，即指明被调用过程起始的指令地址。同跳转一样，调用可以是直接的，也可以是间接的。在汇编代码中，直接调用的目标是一个标号，而间接调用的目标是*后面跟一个操作数指示符。
教材学习中的问题和解决过程
区分MOV，MOVS，MOVZ
- 两类数据移动指令，在将较小的源值复制到较大的目的时使用。所有这些指令都把数据从源(在寄存器或内存中)复制到目的寄存器。MOVZ类中的指令把目的中剩余的字节填充为0，而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。可以观察到，每条指令名字的最后两个字符都是大小指示符:第一个字符指定源的大小，而第二个指明目的的大小。
代码调试中的问题和解决过程
汇编和反汇编
C语言代码文件mstore.c，包含如下的函数定义:
long mult2(long, long);
void multstore(long x, long y, long *dest){
long t=mult2(x, y);
*dest=t;
}在命令行上使用“-s”选项，就能看到C语言编译器产生的汇编代码:
linux> gcc -Og -S mstore .c//gcc -S产生的汇编中可以把以`.`开始的语句都删除了再阅读汇编代码文件包含各种声明，包括下面几行:
multstore:
pushq }rbx
movq %rdx, }rbx
call mult2
movq 0/rax, (}rbx)
popq %rbx
ret
//注意函数前两条和后两条汇编代码，所有函数都有，建立函数调用栈帧上面代码中每个缩进去的行都对应于一条机器指令。比如，pushq指令表示应该将寄存器%rbx的内容压人程序栈中。这段代码中已经除去了所有关于局部变量名或数据类型的信息。
如果我们使用-c命令行选项，GCC会编译并汇编该代码
linux>gcc -Og -c store.c这就会产生目标代码文件mstore.o，它是二进制格式的，所以无法直接查看。二进制文件可以用od命令查看，也可以用gdb的x命令查看。
有些输出内容过多，可以使用 more或less命令结合管道查看，也可以使用输出重定向来查看
od code.o | more
od code.o > code.txt1368字节的文件mstore.o中有一段14字节的序列，它的十六进制表示为:
53 48 89 d3 e8 00 00 00 00 48 89 03 5b c3这就是上面列出的汇编指令对应的目标代码。从中得到一个重要信息，即机器执行的程序只是一个字节序列，它是对一系列指令的编码。机器对产生这些指令的源代码几乎一无所知。
代码托管
本周结对学习情况
- [201552222](http://www.cnblogs.com/20155222lzj/))学习进度条
| 代码行数（新增/累积） | 博客量（新增/累积） | 学习时间（新增/累积） | 重要成长 | |
|---|---|---|---|---|
| 目标 | 5000行 | 30篇 | 400小时 | |
| 第一周 | 10/10 | 1/1 | 6/12 | |
| 第三周 | 220/230 | 2/3 | 6/18 | |
| 第四周 | 270/500 | 1/4 | 6/24 | |
| 第五周 | 400/900 | 2/6 | 6/30 |
尝试一下记录「计划学习时间」和「实际学习时间」，到期末看看能不能改进自己的计划能力。这个工作学习中很重要，也很有用。
耗时估计的公式
：Y=X+X/N ，Y=X-X/N，训练次数多了，X、Y就接近了。
参考：软件工程软件的估计为什么这么难，软件工程 估计方法
计划学习时间:6小时
实际学习时间:6小时
改进情况：
(有空多看看现代软件工程 课件
软件工程师能力自我评价表)
参考资料
深入理解计算机系统（原书第3版）
程序的机器级表示