简单学习看机器码的方法

　　我们知道，用C、C++、Java等高级编程语言写的程序，最终都要经过编译链接成本机可执行的程序。这个可执行程序究竟是什么呢？

　　在Linux上，我们可以用objdump命令很方便地查看一个可执行程序的机器码。

　　好，现在从一个简单的示例开始，说一说怎么理解机器码。

　　我们编一个简单的c程序，如下：

#include <stdio.h>
void f1()
{
        int i;
        for(i = 0; i < 10; i++)
        {
                printf("%d\n", i);
        }
}

int main()
{
        printf("start\n");
        f1();
        printf("end\n");
        return 0;
}

　　Makefile的内容如下：

all : test.c
        gcc -o test test.c
        gcc -S test.c
        objdump -D test > dumpresult.txt
clean :
        rm test test.s dumpresult.txt

　　程序很简单，我们就不去关心运行结果了。

　　首先看生成的test.s，里面main的汇编代码为：

main:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        andl    $-16, %esp
        subl    $16, %esp
        movl    $.LC1, (%esp)
        call    puts
        call    f1
        movl    $.LC2, (%esp)
        call    puts
        movl    $0, %eax
        leave
        ret

　　函数f1的汇编代码为：

f1:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $40, %esp
        movl    $0, -12(%ebp)
        jmp     .L2
.L3:
        movl    $.LC0, %eax
        movl    -12(%ebp), %edx
        movl    %edx, 4(%esp)
        movl    %eax, (%esp)
        call    printf
        addl    $1, -12(%ebp)
.L2:
        cmpl    $9, -12(%ebp)
        jle     .L3
        leave
        ret

　　其实作者在写本文的时候，汇编方面相关的基础素养也不高，免强看得懂啦。看这汇编代码确实让人晕得很哈，不像C程序代码那样接近人的思维。

　　这里的汇编代码是AT&T语法的，跟部分学校里面开设的汇编课程中所采用的intel语法是不一样的。以intel语法中有mov指令为例，它在AT&T中可能对应movl，而且操作数的方法不一样，intel的是第一个操作数是目的操作数，第二个是源操作数，而AT&T的刚好相反。这里就简单提一点，有兴趣的请谷歌找详细内容。

　　这里看过汇编代码之后，再下层就是机器码了，让我们一步一步揭开其真实面纱。

　　在Makefile中，我们通过objdump命令将生成的可执行程序进行了反汇编，生成的结果在dumpresult.txt文件中。我们在这个文件中找到咱们main函数，如下：

08048423 <main>:
 8048423:       55                      push   %ebp
 8048424:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
 8048426:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp
 8048429:       83 ec 10                sub    $0x10,%esp
 804842c:       c7 04 24 14 85 04 08    movl   $0x8048514,(%esp)
 8048433:       e8 ec fe ff ff          call   8048324 <puts@plt>
 8048438:       e8 b7 ff ff ff          call   80483f4 <f1>
 804843d:       c7 04 24 1a 85 04 08    movl   $0x804851a,(%esp)
 8048444:       e8 db fe ff ff          call   8048324 <puts@plt>
 8048449:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
 804844e:       c9                      leave
 804844f:       c3                      ret

　　而f1函数的反汇编如下：

080483f4 <f1>:
 80483f4:       55                      push   %ebp
 80483f5:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
 80483f7:       83 ec 28                sub    $0x28,%esp
 80483fa:       c7 45 f4 00 00 00 00    movl   $0x0,-0xc(%ebp)
 8048401:       eb 18                   jmp    804841b <f1+0x27>
 8048403:       b8 10 85 04 08          mov    $0x8048510,%eax
 8048408:       8b 55 f4                mov    -0xc(%ebp),%edx
 804840b:       89 54 24 04             mov    %edx,0x4(%esp)
 804840f:       89 04 24                mov    %eax,(%esp)
 8048412:       e8 fd fe ff ff          call   8048314 <printf@plt>
 8048417:       83 45 f4 01             addl   $0x1,-0xc(%ebp)
 804841b:       83 7d f4 09             cmpl   $0x9,-0xc(%ebp)
 804841f:       7e e2                   jle    8048403 <f1+0xf>
 8048421:       c9                      leave
 8048422:       c3                      ret

　　值得说明的是，在test这个可执行程序中，咱们可以用诸如ghex这样的十六进制查看软件进行查看。如在main的起点，它的数据是55 89 e5 83 e4 f0 83 ec 10……这样的数值，如下：

　　这就是机器码，只有机器知道是什么意思，要人来看，估计搞一上午也不定能看懂几行。但咱们的目标是理解它，是要知道为什么f1函数中80483f5行的mov %esp, %ebp是89 e5，而804840f 行的mov %eax,(%esp)却是89 04 24了呢？为什么同样是mov指令，有的以89开头，有的以b8开头，有的以8b开头，等等。

　　这得说，这就是人家这样定义的。我在最前面忘了说了，我的电脑CPU是Intel® Celero® E1500的，简单点就是intel32位的。要找到这些机器码为什么是这样的，得从http://www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-software-developer-manuals.html上找人家的手册。请在名为“Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Combined Volumes:1, 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, and 3C”的这个链接上下载相应的手册，这个上面就说人这些机器码是怎么定义得来的。这个文档有3020页，晕菜了。

　　为了快速找到答案，我们直接看第Vol2A 2.1页，讲指令格式的，截图如下：

　　手册上对这样的格式的说明，大意是，一条机器码，Opcode是必须的，其它五个域都是可选的。在本文中所举的例子中大部分都是没有第一个域的，所以这里就不提第一个域了。而第二个域，opcode，是每条指令都有的，它是用哈夫曼算法进行编码的，所以域的长度分为1 2 3字节不等。而这每种编码究竟对应什么指令呢，这个请参考手册上第二卷相关章节的描述。

　　以mov指令为例，对mov指令机器码的定义在Vol.2B 4-29页，部分截图如下：

　　可以看出，就光一个mov指令，针对被操作对象的不同也分不同的机器码。所以在本示例情况下，以89开头的机器码，表示Move r32 to r/m32。

　　但以mov %esp, %ebp（89 e5）和mov %eax,(%esp)（89 04 24）又是怎么个原理呢？这就得看第三个域ModR/M了，即是对比e5与04的区别。ModR/M分为三个字段，它将一个8比特的字节按2：3：3分开，Mod和R/M域结合着表示指令操作数的寻址方式，Reg部分表示要用到的寄存器。要理解这三个域的意思，得结合Vol.2A 2-5页的表2-2来看了，截图如下：

　　我们将十六进制的e5和04按比特位2：3：3分开，它们所表示的数分别是（11 100 101：3、4、5）和（00 000 100：0、0、4）。对照上表，Mod为11，R/M为101，Reg为100所对应的刚好是E5。而表中E5在r32下所表示的意思是将ESP中的值移到EBP中去。由此反汇编出了mov %esp, %ebp。同理04所表示的意思是将EAX中的值移到某个地方，下面的注释说详情请见SIB域，也就是要在04后面所跟的24上找答案了。

　　SIB占一个字节，它所有取值所对应的意思可以在Vol2A 2-6页的表2-3中找到，如下：

　　我们将十六进制的24按2：3：3分开，它所表示的数是（00100100：0、4、4）。对照上表，Scale为00，Index为100，Base为100，刚好对应的值是24，它所表示的意思是数据不做任何处理直接存放在ESP寄存器中。这就反汇编出了mov %eax,(%esp)指令。

 

　　好了，其它的机器码也是按同样的思路去理解。怎么样，有了官方的手册，理解起来容易多了吧。