C/C++汇编学习（六）——数据结构汇编实例：链表、树、图。
我们继续开展
目录
一、链表
1. C++代码
2. 链表部分转为汇编并注释
二、树
1. C++代码
2. 链表部分转为汇编并注释
3. 汇编伪代码
三、图
1. C++代码
2. 汇编伪代码
四、总结
一、链表
1. C++代码
#include
struct ListNode {
int data;
ListNode* next;
ListNode(int x) : data(x), next(nullptr) {}
};
int main() {
// 创建链表的第一个节点
ListNode* head = new ListNode(1);
// 添加更多节点
head->next = new ListNode(2);
head->next->next = new ListNode(3);
// 打印链表
ListNode* current = head;
while (current != nullptr) {
std::cout << current->data << " ";
current = current->next;
}
// 删除所有节点，释放内存
current = head;
while (current != nullptr) {
ListNode* next = current->next;
delete current;
current = next;
}
return 0;
}
2. 链表部分转为汇编并注释
.file "test.cpp" ; 源文件信息，表示这个汇编代码是从 'test.cpp' 文件生成的
.text ; 标记接下来的段落是代码段（文本段）
.local _ZStL8__ioinit ; 声明一个局部变量（通常是为了初始化C++标准库的I/O）
.comm _ZStL8__ioinit,1,1 ; 分配并公共定义 _ZStL8__ioinit 变量
.section .text._ZN8ListNodeC2Ei,"axG",@progbits,_ZN8ListNodeC5Ei,comdat
; 开始一个名为 .text._ZN8ListNodeC2Ei 的新段
; "axG" 和 "@progbits" 是段的标志
; _ZN8ListNodeC5Ei 是相关联的符号名
.align 2 ; 设置内存对齐，确保接下来的指令正确对齐以优化性能
.weak _ZN8ListNodeC2Ei ; 将 _ZN8ListNodeC2Ei 符号声明为弱符号，允许它在其他地方被重定义
.type _ZN8ListNodeC2Ei, @function
; 声明 _ZN8ListNodeC2Ei 是一个函数
_ZN8ListNodeC2Ei: ; 函数 _ZN8ListNodeC2Ei（ListNode的构造函数）的开始
.LFB1732: ; 局部函数开始的标签（由编译器生成）
.cfi_startproc ; 指示调试器这是函数的开始
endbr64 ; ENDBR64指令，用于防止某些类型的攻击
pushq %rbp ; 将基指针（rbp）压入栈，保存上一个函数的基指针
.cfi_def_cfa_offset 16 ; 调整当前栈帧的偏移量（用于调试）
.cfi_offset 6, -16 ; 调整寄存器rbp的偏移量（用于调试）
movq %rsp, %rbp ; 将栈指针（rsp）的值复制到基指针（rbp），建立新的栈帧
.cfi_def_cfa_register 6 ; 设置当前帧的基指针寄存器为rbp（用于调试）
movq %rdi, -8(%rbp) ; 将第一个参数（this指针，存储在rdi）移到栈帧中的局部变量位置
movl %esi, -12(%rbp) ; 将第二个参数（构造函数的参数）移到栈帧中的另一个局部变量位置
movq -8(%rbp), %rax ; 将this指针移回rax，准备用于后续操作
movl -12(%rbp), %edx ; 将构造函数的参数移动到edx，准备用于后续操作
movl %edx, (%rax) ; 将参数值（edx）存储在this指向的对象的data成员中
movq -8(%rbp), %rax ; 再次将this指针移到rax
movq $0, 8(%rax) ; 将this指向的对象的next指针设置为nullptr（0）
nop ; 空操作，没有实际效果，有时用于对齐
popq %rbp ; 恢复原来的基指针（rbp）
.cfi_def_cfa 7, 8 ; 调整当前帧的堆栈指针（用于调试）
ret ; 返回指令，结束函数
.cfi_endproc ; 指示调试器函数结束
.LFE1732: ; 局部函数结束的标签（由编译器生成）
.size _ZN8ListNodeC2Ei, .-_ZN8ListNodeC2Ei
; 指定函数 _ZN8ListNodeC2Ei 的大小
.weak _ZN8ListNodeC1Ei ; 将 _ZN8ListNodeC1Ei 符号声明为弱符号
.set _ZN8ListNodeC1Ei,_ZN8ListNodeC2Ei
; 设置 _ZN8ListNodeC1Ei 符号等于 _ZN8ListNodeC2Ei（两个构造函数共享相同的代码）
.section .rodata ; 只读数据段的开始
.LC0:
.string " " ; 存储一个字符串 " "
.text ; 标记又回到代码段
.globl main ; main函数声明为全局符号，使得链接器可以找到它
.type main, @function ; 声明main是一个函数
它展示了 ListNode 构造函数的汇编表示。这个构造函数初始化一个 ListNode 对象，设置其 data 成员并将 next 指针设为 nullptr。代码还包括了一些调试和链接相关的指令，这些通常是编译器自动生成的。
理解汇编代码并转换为伪代码可以帮助更清楚地理解其操作。以下是基于您提供的汇编代码的伪代码表示，该代码对应于 ListNode 构造函数的实现：
ListNode Constructor (int value)
{
// 假设 'this' 是指向当前ListNode对象的指针
ListNode* this;
// 函数开始
Start Function
// 保存基指针（rbp）并设置新的基指针
Save Base Pointer
Set Base Pointer to Current Stack Pointer
// 将构造函数的参数（value）和 'this' 指针保存到栈帧中
Store 'value' to Stack Frame
Store 'this' Pointer to Stack Frame
// 将 'value' 赋值给当前对象的 'data' 成员
this->data = value;
// 将当前对象的 'next' 指针设置为 nullptr
this->next = nullptr;
// 恢复基指针并结束函数
Restore Base Pointer
End Function
}
二、树
1. C++代码
#include
// TreeNode 结构体定义（根据您提供的代码）
struct TreeNode {
int value;
TreeNode *left;
TreeNode *right;
TreeNode(int x) : value(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
};
int main() {
// 创建几个 TreeNode 实例
TreeNode *root = new TreeNode(10);
TreeNode *leftChild = new TreeNode(5);
TreeNode *rightChild = new TreeNode(15);
// 将子节点链接到根节点
root->left = leftChild;
root->right = rightChild;
// 输出以验证结构
std::cout << "Root Value: " << root->value << std::endl;
std::cout << "Left Child Value: " << root->left->value << std::endl;
std::cout << "Right Child Value: " << root->right->value << std::endl;
// 释放分配的内存
delete root->left;
delete root->right;
delete root;
return 0;
} 2. 链表部分转为汇编并注释
.file "test.cpp" # 指明源文件名称
.text # 开始文本段（包含代码）
.local _ZStL8__ioinit # 声明局部符号，这通常与C++标准库的初始化有关
.comm _ZStL8__ioinit,1,1 # 声明公共符号，用于C++标准库I/O的初始化
# TreeNode 构造函数定义开始
.section .text._ZN8TreeNodeC2Ei,"axG",@progbits,_ZN8TreeNodeC5Ei,comdat
.align 2 # 对齐指令，确保代码地址对齐以提高访问速度
.weak _ZN8TreeNodeC2Ei # 标记构造函数为弱符号
.type _ZN8TreeNodeC2Ei, @function # 标记符号类型为函数
_ZN8TreeNodeC2Ei: # TreeNode 构造函数的入口点
.LFB1732:
.cfi_startproc
endbr64 # 结束分支保护，防止跳转到非法地址
pushq %rbp # 保存基指针
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp # 设置新的基指针
.cfi_def_cfa_register 6
movq %rdi, -8(%rbp) # 将参数 this 指针保存在局部变量中
movl %esi, -12(%rbp) # 将参数 value 保存在局部变量中
movq -8(%rbp), %rax # 将 this 指针加载到 rax
movl -12(%rbp), %edx # 将 value 加载到 edx
movl %edx, (%rax) # 将 value 写入 this->value
movq -8(%rbp), %rax # 重新加载 this 指针到 rax
movq $0, 8(%rax) # 初始化 this->left 为 nullptr
movq -8(%rbp), %rax # 重新加载 this 指针到 rax
movq $0, 16(%rax) # 初始化 this->right 为 nullptr
nop # 无操作指令（可能用于对齐）
popq %rbp # 恢复基指针
.cfi_def_cfa 7, 8
ret # 从函数返回
.cfi_endproc
.LFE1732:
.size _ZN8TreeNodeC2Ei, .-_ZN8TreeNodeC2Ei
.weak _ZN8TreeNodeC1Ei # 标记另一种构造函数形式（拷贝构造函数）为弱符号
.set _ZN8TreeNodeC1Ei,_ZN8TreeNodeC2Ei # 将拷贝构造函数与普通构造函数关联
# 字符串字面量的声明
.section .rodata
.LC0:
.string "Root Value: "
.LC1:
.string "Left Child Value: "
.LC2:
.string "Right Child Value: "3. 汇编伪代码
_ZN8TreeNodeC2Ei: ; TreeNode::TreeNode(int)
.LFB1732:
.cfi_startproc
endbr64 ; 标记 ELF 可执行文件的入口点
pushq %rbp ; 保存基指针
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp ; 设置新的基指针
.cfi_def_cfa_register 6
movq %rdi, -8(%rbp) ; 将第一个参数（this 指针）存储在栈中
movl %esi, -12(%rbp) ; 将第二个参数（int x）存储在栈中
movq -8(%rbp), %rax ; 将 this 指针移到 rax
movl -12(%rbp), %edx ; 将 int x 移到 edx
movl %edx, (%rax) ; 将 x 的值存储在 this->value
movq -8(%rbp), %rax ; 重新加载 this 指针到 rax
movq $0, 8(%rax) ; 设置 this->left 为 nullptr
movq -8(%rbp), %rax ; 再次加载 this 指针到 rax
movq $0, 16(%rax) ; 设置 this->right 为 nullptr
nop ; 无操作
popq %rbp ; 恢复基指针
.cfi_def_cfa 7, 8
ret ; 返回调用者
.cfi_endproc
.LFE1732:
伪代码解释：
-
函数
_ZN8TreeNodeC2Ei是TreeNode类构造函数的名称在 C++ 源代码中经过名字修饰（name mangling）后的结果。它接受一个整数参数（节点的值）。 -
函数开始时，保存当前函数的基指针，并将栈指针设置为新的基指针。
-
this指针（指向要初始化的对象）和整数参数（节点的值）被存储在栈中。 -
将
this指针和整数值分别加载到寄存器rax和edx。 -
将节点的值赋给
this->value。 -
将
this->left和this->right指针设置为nullptr。 -
函数结束时，恢复之前的基指针并返回。
三、图
1. C++代码
#include
#include
#include
// 定义顶点结构
class Vertex {
public:
int data; // 顶点数据
std::list edges; // 边的列表，存储与此顶点相连的顶点的索引
Vertex(int data) : data(data) {}
};
// 定义图结构
class Graph {
public:
std::vector vertices; // 存储所有顶点的向量
// 添加顶点
void addVertex(int data) {
Vertex newVertex(data);
vertices.push_back(newVertex);
}
// 添加边（无向）
void addEdge(int start, int end) {
vertices[start].edges.push_back(end);
vertices[end].edges.push_back(start);
}
// 打印图的信息
void printGraph() {
for (int i = 0; i < vertices.size(); i++) {
std::cout << "Vertex " << vertices[i].data << ": ";
for (int edge : vertices[i].edges) {
std::cout << edge << " ";
}
std::cout << "\n";
}
}
};
int main() {
Graph g;
g.addVertex(1);
g.addVertex(2);
g.addVertex(3);
g.addEdge(0, 1);
g.addEdge(1, 2);
g.addEdge(2, 0);
g.printGraph();
return 0;
}
2. 汇编伪代码
下面是这些C++类和方法可能对应的汇编伪代码的概览。这里假设的环境是x86架构，且伪代码简化了许多复杂的细节。
; 假设C++类的方法被编译为全局函数
; 每个函数的实现取决于编译器如何处理对象、方法调用和STL容器
; Vertex构造函数
_Vertex_constructor:
; 假设 'this' 指针在 eax 中
; 假设构造函数的参数在栈中或寄存器中
mov [eax], data ; 将数据存储到对象的'data'成员
; 初始化 'edges' 列表
; ...
; Graph构造函数
_Graph_constructor:
; 初始化 'vertices' 向量
; ...
; Graph::addVertex 方法
_Graph_addVertex:
; 假设 'this' 指针和参数在寄存器或栈中
; 创建一个新的 Vertex 对象
; 将 Vertex 对象添加到 'vertices' 向量中
; ...
; Graph::addEdge 方法
_Graph_addEdge:
; 假设 'this' 指针和参数在寄存器或栈中
; 在 'vertices' 向量中找到对应的顶点
; 更新顶点的 'edges' 列表
; ...
; Graph::printGraph 方法
_Graph_printGraph:
; 假设 'this' 指针在某个寄存器中
; 遍历 'vertices' 向量
; 对于每个顶点，打印数据和边
; ...
; main 函数
_main:
; 创建 Graph 对象
call _Graph_constructor
; 调用 addVertex 和 addEdge
; 调用 printGraph
; ...
演示了如何将C++代码中的对象构造、方法调用和循环转换为汇编代码。请注意，实际汇编代码将取决于许多因素，包括具体的编译器、目标架构和优化设置。每个类的方法在汇编级别都会被转换成一系列对内存的操作、条件跳转和函数调用，而这些操作可能非常复杂，尤其是对于像std::vector和std::list这样的STL容器。实际的汇编代码可能包含更多的细节和特定的内存管理逻辑。
四、总结
-
深入理解计算机工作原理：汇编语言提供了对计算机硬件操作的直接控制，这有助于更深入地理解计算机如何在最基础的层面上工作。了解数据结构在汇编级别的实现可以帮助你理解高级编程语言是如何被翻译成机器可以执行的指令的。
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优化性能：在特定场景下，了解数据结构在汇编级别的表现可以帮助开发者编写更高效的代码。例如，在性能关键的应用中，了解底层细节可以帮助优化内存访问模式和计算过程，从而提高程序的执行效率。
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逆向工程和安全分析：在逆向工程和软件安全分析中，了解数据结构的汇编实现是非常重要的。这有助于分析编译后的代码，理解软件的行为，发现潜在的漏洞，或进行恶意软件分析。
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更好的调试能力：当调试低级别的问题（如内存损坏、性能瓶颈）时，理解汇编语言和数据结构的内部工作机制可以提供更全面的洞察。这使得能够更精准地定位问题所在，特别是当高级语言的调试器无法提供足够信息时。
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学术和研究应用：在计算机科学和工程的研究领域，深入理解数据结构的底层实现是非常重要的。这种知识对于设计新的算法、计算模型或硬件架构非常有价值。
-
编译器设计：对于编译器开发者来说，理解数据结构在汇编级别的表示是核心技能之一。这有助于实现更有效的代码生成和优化策略。
总的来说，虽然大多数应用程序开发者不需要直接使用汇编语言，但对其有一定的理解仍然是有价值的，尤其是在性能优化、底层系统设计、安全分析和调试等领域。