汇编与高级语言

汇编与高级语言

1.      汇编基础知识

1.1.      寄存器

寄存器	用途
EAX，EBX，EDX，ECX	通用寄存器，由程序员自己指定用途，也有一些不成文的用法： EAX：常用于运算。 EBX：常用于地址索引。 ECX：常用于计数。 EDX：常用于数据传递。
EIP	指令寄存器，指出当前指令所在的地址。
ESP	栈指针，指向当前线程的栈顶。
EBP	栈基址指针，对调试起着很重要的作用。
EDI，ESI	没有规定作什么用，一般用在源指针和目标指针的操作。
FR	标志寄存器，由多个标志位组成，存放运算结果的标志，比如借位，进位，是否为0等等。
FS	在Windows中，FS:[0]用来指向异常处理机制的链接头。

 

说明：

l         ESP和EBP对高级语言的函数实现起着非常重要的作用。

l         FS是SEH（Structured Exception Handling）中起重要作用的一个段寄存器，它的0偏移指向异常结构连表的表头，Windows在进行结构化异常处理时，就是从FS:[0]开始遍历异常结构并调用其中的异常处理函数的。

 

1.2.      堆栈

堆是一块内存区域，一般用于内存的动态分配和释放，比如用New方法分配一个指针，此时即在程序地址空间的堆中分配了一块内存。又比如Delphi的对象也是在堆中创建的。

栈是一种先进后出的列表数据结构，在高级语言的编程中使用广泛，在低级语言中更是不可或缺的基础概念。栈也是一个内存区域，不过它具有快速灵活的特点，CPU直接提供指令去访问栈。

从汇编的角度来看，栈具有如下的性质：

l         栈有两个基础动作，压栈(PUSH)和出栈(POP)。

l         栈是向下增长的，即每压一次栈，栈顶的地址就减少一次，也可以说ESP的值就减小一次。

l         栈是线程相关的，每一个线程都拥有一个栈。

l         程序利用ESP可以很灵活地访问栈，不一定要执行PUSH和POP栈顶才会改变，直接操作ESP也可以改变栈顶，也就是说ESP决定了栈顶的值。

l         栈是有最大值的，通过编程环境可以设置，超出最大值就会发生栈溢出。

看一个简单的例子，下面的指令是一条压栈指令，意思是将EAX的值压入栈中：

PUSH    EAX

根据上面的性质，这条指令等价于下面的指令：

SUB       ESP,  4
       MOV      ESP,  EAX

用下面的图表示指令的操作过程：

2.      调用规则

2.1.      从汇编的角度看函数调用

汇编语言没有变量的概念，因此对函数的调用，第一个要解决的问题是参数要如何传递，有的将参数放在栈中，有的将参数放在寄存器中，对于参数压栈的还要确定是从最左边的参数开始压栈，还是从最右边开始，所有这些，就构成了调用规则的内容。

第二个问题是函数如何被调用，其实很简单，就是一个跳转指令JMP，跳到函数的首地址去，并从那里开始执行指令。

比如下面的代码：

  C := Add(10, 20);

按照上面的讨论，汇编代码应该如下：

MOV     EAX, 10
       MOV     EDX, 20
       JMP      @Add

现在我们又遇到另一个问题：函数执行完后如何返回？在调用Add函数时，执行点跳到函数里面去，但当函数执行完之后，执行点必须返回到C:=Add(10, 20)下面的语句，可是此时已经没有办法得到那个指令地址。为了解决这个问题，必须把 C := Add(10, 20)之后的指令地址保存起来，一般压到栈中是比较好的做法，汇编代码成了下面的样子：

MOV     EAX, 10
       MOV     EDX, 20
       PUSH     [EIP + Len]
       JMP      @Add

［EIP +LEN］就是JMP @Add的下一条指令的地址，现在当Add函数执行完毕后，只要在栈中找到这个地址，执行点就可以回来了。大概有人觉得函数调用实在是很常用的事情，于是干脆把最后两条指令合成一条，变成了Call，所以最后的汇编代码如下：

MOV     EAX, 10
       MOV     EDX, 20
       CALL    @Add

接下来看看Add函 数，函数执行完后怎么在栈中找到返回地址？解决这个问题的关键点就是栈平衡，不管函数对栈如何操作，但一定要保证在函数退出时栈现场和刚进来时的一样，这 里包括栈顶和栈的内容一样。只要做到这一点，就可以确定在函数将返回时的栈顶值就是正确的返回值，我们只需要从栈顶弹出这个值，再执行一个跳转就行了。

假设它的代码是这样：

Function Add(a, b: Integer): Integer;
       begin
         Result := a + b;
       end;

那么汇编代码就是这样：

ADD      EAX, EDX
       POP        EDX
       JMP        EDX

同样后两个指令太常用了，因此合成一条，成了Ret，最后的汇编代码是这样的：

ADD       EAX, EDX
       RET

从汇编角度函数调用大概就是如此。

 

2.2.      调用规则

调用规则讨论的是函数的参数怎么传递，函数结果又是怎么返回，另外栈平衡由谁负责（函数本身或调用者）。下面就介绍几个比较常用的调用规则：

 

Register

Delphi默认的调用规则，效率非常高，但规则很复杂，下面是它的简要规则：

1.         头三个不大于4个字节（DWORD）的参数从左到右的传入EAX,EDX,ECX寄存器；接下去的参数按从左到右压栈。

比如函数：function Add1(I1: Byte; I2: Int64; I3: Integer; I4: Integer; I5: Integer): Integer;

用汇编来调用就是这样的：

var

  I: Integer;

begin

  //I := Add1(10, 20, 30, 40, 50);

  asm

    mov  al, 10

    push  0

    push  20

    mov  edx, 30

    mov  ecx, 40

    push  50

    call   Add1

    mov  I, eax

  end;

end;

2.         浮点数总压栈，不管它所占的字节是多少。

3.         对象方法总是有一个Self隐含参数，这个参数在所有的参数前面，即总是传给EAX。

比如一个类中有一个方法：function Add2(a, b: Integer): Integer;

用汇编调用如下所示：

var

  I: Integer;

begin

  //I := Add2(10, 20);

  asm

    mov  eax, Self

    mov  edx, 10

    mov  ecx, 20

    call   Add2

    mov  I, eax

  end;

end;

4.         栈现场必须由函数自己清理。

 

Stdcall

Windows API的标准调用规则，效率不高，但规则很简单：

1.         参数总是从右向左地压栈。

比如，对于函数：function Add3(a, b: Integer): Integer; stdcall;

下在是调用的代码：

var

  I: Integer;

begin

  //I := Add3(10, 20);

  asm

    push 20

    push 10

    call Add3

    mov I, eax

  end;

end;

2.         栈现场必须由函数自己清理。

 

Cdecl

这是C语言的标准调用规则，在Delphi中很少需要用到这种规则，但Delphi仍然提供了支持。

1.         与stdcall类似，参数总是从右向左地压栈。

2.         栈现场必须由调用者清理。

这就为可变参数提供了可能，举一个例子，C语言里面有一个运行时函数叫Sprintf，类似于Delphi的Format，C的声明如下：

int sprintf( char *buffer, const char *format [, argument] ... );

用Delphi的声明则是这样的：

function sprintf(buffer: PChar; const format: PChar): Integer; cdecl; varargs; external 'msvcrt.dll' name 'sprintf';

用Delphi可以这样调用：

var

  S: string;

begin

  SetLength(S, 30);

  sprintf(PChar(S), '%s and %s are good friends', 'tom', 'jacky');

  ShowMessage(S);

end;

是不是很神奇，函数声明明明只有两个参数，但调用的时候却可以传入任意多的参数，对函数本身来说，它并不知道参数有多少，因此是无法清理栈现场的，只有调用者知道有多少个参数，所以栈现场由调用者清理，下面是调用这个函数的汇编代码：

//sprintf(PChar(S), '%s and %s are good friends', 'tom', 'jacky');

push $00453d00

push $00453d10

push $00453d14

mov eax,[ebp-$04]

      call @LStrToPChar

push eax

      call sprintf

add esp,$10

 

Safecall

Safecall常用于COM，Delphi作了很多处理，使得函数返回值小于0时，自动抛出异常。

1.         任何Safecall函数，都可以转换成等价的Stdcall函数。

例1：

procedure Proc(); safecall;

Function Proc(): HResult; stdcall;

例 2：

Function func(): Integer; safecall;

Function func(out Re: Integer): HResult; stdcall;

 

问题：假设有一个Safecall的函数：function Add4(a, b: Integer): Integer; safecall;如何用汇编代码调用之？

1)        首先是将其转换成StdCall的声明：

function Add4(a, b: Integer; out Re: Integer): HRESULT; stdcall;

2)        按照Stdcall的调用规则调用：

var

  I: Integer;

begin

  //I := Add4(10, 20);

  asm

    lea   eax, I

    push  eax

    push  20

    push  10

    call  Add4

  end;

end;

 

2.         函数返回时，Delphi自动检查其返回值，如果小于0，就引发reSafeCallError异常。

比如I := Add4(10, 20)这一句，实际的汇编代码是这样的：

     lea        eax,[ebp-$04]

      Push              eax

      push       $14

     push       $0a

     call               Add4

     call               @CheckAutoResult

CheckAutoResult是System单元的一个RTL函数，负责检查函数的返回结果：

function _CheckAutoResult(ResultCode: HResult): HResult;

begin

  if ResultCode < 0 then

  begin

    if Assigned(SafeCallErrorProc) then

      SafeCallErrorProc(ResultCode, Pointer(-1));  // loses error address

    Error(reSafeCallError);

  end;

  Result := ResultCode;

end;

 

3.      栈框架(Stack Frame)

Stack Frame是一项非常有用的技术，特别是对于高级语言，可以说，如果没有Stack Frame，就没有Call Stack。

函数一般都有如下的汇编代码框架

begin

push ebp

mov ebp,esp

... ...

mov esp,ebp

pop ebp

end;

在调用push ebp，mov ebp, esp之后，栈的现场是这样的：

由此可知，对于每一个函数，EBP总是指向函数进入时的栈顶，那么上图中的“EBP的前一个值”应该就是调用该函数的上一级函数进入时的栈顶了，依此类推，最终将形成下面的图示：

 

上图实际上就形成了一个链表的结构，用下面的记录来表示：

PStackFrame = ^TStackFrame
       TStackFrame = Record
         Prev: PStackFrame;
         CallerAddr: Pointer;
       end;

也就是说，函数调用的同时也在增加这个栈框架链表。举一个例子，假设有A,B,C三个函数，A调用B，B调用C，则最终的栈框架链表如下图所示：

利用栈框架就可以实现调试里面的Call Stack。原理很简单，只要遍历StackFrame链表，根据CallerAddr获得每一个函数名。

下面是第一个例子，遍历StackFrame链表，并取出每一个CallerAddr：

procedure OutputCallStack(CallStackProc: TCallStackProc1); overload;

var

  StackFrame: PStackFrame;

  i: Integer;

begin

  asm

    MOV   StackFrame, EBP

  end;

  if Assigned(CallStackProc) then

  begin

    i := 0;

    while i < 10 do

    begin

      Inc(i);

      CallStackProc(StackFrame^.CallerAddr);

      StackFrame := StackFrame^.Prev;

    end;

  end;

end;

如果想获得每一个调用函数的详细信息，需要调试符号的帮助，下面一个例子利用生成的Map文件，也可以获得一些函数信息(需要JCLDebug的支持)：

procedure OutputCallStack(CallStackProc: TCallStackProc2); overload;

var

  StackFrame: PStackFrame;

  ProcName, UnitName: string;

  Line: Integer;

begin

  asm

    MOV   StackFrame, EBP

  end;

  if Assigned(CallStackProc) then

  while True do

  begin

    ProcName := ProcOfAddr(StackFrame^.CallerAddr);

    UnitName := ModuleOfAddr(StackFrame^.CallerAddr);

    Line := LineOfAddr(StackFrame^.CallerAddr);

    if UnitName <> '' then

      CallStackProc(StackFrame^.CallerAddr, UnitName, ProcName, Line)

    else

      Break;

    StackFrame := PStackFrame(StackFrame^.Prev);

  end;

end;

 

4.      Move函数比较

我例出了四个Move函数的运行比较，旨在说明即使是汇编也有很大的速度差异。

System.Move请到System单元下查看；FastCode.Move到http://fastcode.sourceforge.net/下载，下面是MyMove_Assembly和MyMove_pascal的实现代码：

procedure MyMove_Pascal(const Source; var Dest; Count: Integer);

var

  S, D: PChar;

  I: Integer;

begin

  S := PChar(@Source);

  D := PChar(@Dest);

  if S = D then Exit;

  if Cardinal(D) > Cardinal(S) then

    for I := count-1 downto 0 do

      D[I] := S[I]

  else

    for I := 0 to count-1 do

      D[I] := S[I];

end;

 

procedure MyMove_Assembly(const Source; var Dest; Count: Integer);

asm

  {       EAX     Pointer to source       }

  {       EDX     Pointer to destination  }

  {       ECX     Count                   }

          CMP     EAX, EDX

          JZ      @endProc

          PUSH    EDI

          PUSH    ESI

          PUSH    ECX

          CMP     EAX, EDX

          JL      @DownLoop

@UpLoop:

          MOV     ESI, EAX

          MOV     EDI, EDX

          REP     MOVSB

          JMP     @exit

@DownLoop:

          LEA     ESI, [EAX + ECX - 1]

          LEA     EDI, [EDX + ECX - 1]

          STD

          REP     MOVSB

          CLD

@exit:

          POP     ECX 

          POP     ESI

          POP     EDI

@endProc:

end;

 

下面是运行结果的比较：

i.          未钩选优化指令的情况：

ii.        钩选优化指令的情况：

根据上面的结果，我得出了下面的结论，并有下面的建议。

结论：

①       未优化的Pascal代码与优化的汇编代码效率相差为45倍。

②       优化的Pascal代码与优化的汇编代码效率相差为20倍。

③       优化的Pascal代码与未优化的汇编代码效率相差为2.9位。

④       未优化的汇编代码与优化的汇编效率相差为7倍。

建议：

①       对于应用程序员来说，除非遇到效率要求非常高的地方，否则尽量不要写汇编代码，因为经过优化的高级语言效率已经非常高。

②       理解汇编与高级语言的关系，能够通过查看汇编代码解决困难的问题。