基于x86的Hello World汇编代码分析（AT&T风格汇编）

基于x86的Hello World汇编代码分析

（AT&T汇编风格）

本文通过对由gcc对简单C语言代码编译生成的汇编码进行逐句分析解读，来学习x86的汇编结构和堆栈机制。文章涉及细节较多，难免出错，望读者不吝赐教！

一、代码

C语言代码：

/* file: hello.c */
1 #include <stdio.h>
2
3 int add(int a, int b){
4 return (a+b);
5 }
6
7 int main(int argc, char **argv){
8 int a, b, c;
9 a = 3;
10 b = 4;
11 c = add(a, b);
12 printf("a+b=%d/n", c);
13 printf("Hello World!/n");
14 return 0;
15 }
16

gcc -S -ohello.s hello.c输出文件：

/* file: hello.s */
1 .file "hello.c"
2 .text
3 .globl add
4 .type add, @function
5 add:
6 pushl %ebp
7 movl %esp, %ebp
8 movl 12(%ebp), %edx
9 movl 8(%ebp), %eax
10 addl %edx, %eax
11 popl %ebp
12 ret
13 .size add, .-add
14 .section .rodata
15 .LC0:
16 .string "a+b=%d/n"
17 .LC1:
18 .string "Hello World!"
19 .text
20 .globl main
21 .type main, @function
22 main:
23 leal 4(%esp), %ecx
24 andl $-16, %esp
25 pushl -4(%ecx)
26 pushl %ebp
27 movl %esp, %ebp
28 pushl %ecx
29 subl $36, %esp
30 movl $3, -8(%ebp)
31 movl $4, -12(%ebp)
32 movl -12(%ebp), %eax
33 movl %eax, 4(%esp)
34 movl -8(%ebp), %eax
35 movl %eax, (%esp)
36 call add
37 movl %eax, -16(%ebp)
38 movl -16(%ebp), %eax
39 movl %eax, 4(%esp)
40 movl $.LC0, (%esp)
41 call printf
42 movl $.LC1, (%esp)
43 call puts
44 movl $0, %eax
45 addl $36, %esp
46 popl %ecx
47 popl %ebp
48 leal -4(%ecx), %esp
49 ret
50 .size main, .-main
51 .ident "GCC: (Ubuntu 4.3.2-1ubuntu12) 4.3.2"
52 .section .note.GNU-stack,"",@progbits

二、分析

下面对hello.s进行逐句分析。

第1行为gcc留下的文件信息；第2行标识下面一段是代码段，第3、4行表示这是add函数的入口，第5行为入口标号；6~12行为add函数体，稍后
分析；13行为add函数的代码段的大小；14行指示下面是数据段；15~18行定义了main中要用到的两个字符串常量；19行同第二行，20、21行
定义了main函数入口，22行为main入口标号。23行开始正式进入main函数，直至49行；50行为main函数代码段体积。51、52行为
gcc留下的信息。

下面从main函数开始单步分析每一句话，并跟踪堆栈状态。

初始状态，堆栈状态如图一：

高 +----------------+ <-- esp （栈顶） 高 +----------------+

｜ | | ｜ | |

｜ +----------------+ ｜ + 若干 +

｜ | ｜ ｜ | ｜

｜ +----------------+ ｜ +----------------+ <-- esp

｜ | ｜ ｜ | ｜

｜ +----------------+ ｜ +----------------+

V | | V | |

低 + .... + 低 + .... +

图一 图二

23 leal 4(%esp), %ecx

将esp所指地址加4得到的地址存入ecx。

24 andl $-16, %esp

－16的补码为11...10000，这句话使esp指针下移若干位，新地址末四位是0，故按16字节对齐，如图二。对齐是为了加速CPU访存。

25 pushl -4(%ecx)

将ecx所指地址（也就是程序开始时esp所指位置，如图一所示）的内容压栈。这个内容是eip。关于这句的用途，后面有详细解释。

26 pushl %ebp

将ebp压栈，保存ebp的值，以便在退出函数时恢复。

27 movl %esp, %ebp

将ebp移动到esp的位置。

28 pushl %ecx

将ecx的值压栈，保存，在退出函数时，通过这个值来恢复esp的初始值。

现在，堆栈状态如图三：

高 +----------------+ <-- old esp

｜ | |

｜ +---- 若干 ----+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | eip ｜ 25 pushl -4(%ecx)

｜ +----------------+ <-- ebp 27 movl %esp, %ebp

｜ | old ebp ｜ 26 pushl %ebp (we don't know what old ebp is, but we have to backup it)

｜ +----------------+ <-- esp

｜ | old esp+4 | 28 pushl %ecx (ecx =old esp + 4)

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

V | |

低 + .... +

图三

29 subl $36, %esp

esp向下移动36字节，留出空间给局部变量使用，每个存储单元4字节，故共9格。这里预留的空间有些多，在后续的分析中会发现，很多空都没用上。在第四部分的优化后的代码中也可以看到，36被优化成了20，预留的空间正好用满。

30 movl $3, -8(%ebp)

a = 3, 将a的值存入堆栈（加载到内存中）。

31 movl $4, -12(%ebp)

b = 4, 将b的值存入堆栈（加载到内存中）。

32 movl -12(%ebp), %eax

33 movl %eax, 4(%esp)

将b的值调入寄存器，并且入栈，为调用add函数准备参数。

34 movl -8(%ebp), %eax

35 movl %eax, (%esp)

将a的值调入寄存器，并且入栈，为调用add函数准备参数。

36 call add

调用add函数。注意，在这里，call指令隐含执行了一条push %eip的指令，记录当前代码段执行的位置。

下面进入add函数代码。

6 pushl %ebp

将ebp值压栈保存。

7 movl %esp, %ebp

移动ebp至当前esp位置。

8 movl 12(%ebp), %edx

9 movl 8(%ebp), %eax

将两个参数加载到寄存器。

10 addl %edx, %eax

相加，结果存入eax寄存器。

11 popl %ebp

12 ret

出栈，恢复ebp原来的值，函数返回，结果保存在eax中。注意，在ret指令中隐含执行了pop %eip的指令，从pop出来的eip所指的代码处继续执行。

下面回到main函数中。

37
movl %eax, -16(%ebp)

将函数返回值存入堆栈（内存）。

38 movl -16(%ebp), %eax

将变量c的值加载到寄存器。（此句冗余，编译时加优化选项可消除）

39 movl %eax, 4(%esp)

40 movl $.LC0, (%esp)

将变量c的值和.LC0的地址存入堆栈，为调用printf函数准备参数。

41 call printf

调用printf函数，不跟踪分析。

这个过程中堆栈状态如图四：

高 +----------------+ <-- old esp

｜ | |

｜ +---- 若干 ----+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | eip ｜

｜ +----------------+

｜ | old ebp ｜

｜ +----------------+

｜ | old esp+4 |

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | 3 ｜ 30 movl $3, -8(%ebp) a = 3

｜ +----------------+

｜ | 4 ｜ 31 movl $4, -12(%ebp) b = 4

｜ +----------------+

｜ | 7 ｜ 37 movl %eax, -16(%ebp) eax中为add函数的返回值。

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | 4 / 7 ｜
33 movl %eax, 4(%esp) / 39 movl %eax, 4(%esp)

｜ +----------------+ <-- esp (29 subl $36, %esp)

｜ | 3 / .LC0 ｜ 35 movl %eax, (%esp) / 40 movl $.LC0, (%esp)

｜ +----------------+

｜ | eip ｜

｜ +----------------+ <-- ebp (7 movl %esp, %ebp)
｜ | ebp | 6 pushl %ebp

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

V | ｜

低 + .... +

图四

42 movl $.LC1, (%esp)

将.LC1地址存入堆栈，注意，这里gcc将printf“偷换”成了puts，所以只传一个参数。

43 call puts

调用puts函数。

44 movl $0, %eax

主函数将要返回0，将0存入eax寄存器。

45 addl $36, %esp

将esp回到函数开始时的位置。

46 popl %ecx

47 popl %ebp

48 leal -4(%ecx), %esp

这三句与程序开始正好相对，恢复寄存器状态到进入函数前的状态。开始的这句话：25 pushl -4(%ecx)，存入了esp初始时刻指向单元的内容（应该是eip），但整个程序中都没用上。

49 ret

从main函数返回，返回值由eax带回。图五是图三的拷贝，可以从此图看清楚备份了哪些东西。

高 +----------------+ <-- old esp

｜ | |

｜ +---- 若干 ----+

｜ | ｜

｜ +----------------+

｜ | eip ｜

｜ +----------------+

｜ | old ebp ｜

｜ +----------------+

｜ | old esp+4 |

｜ +----------------+

｜ | ｜

｜ +----------------+

V | |

低 + .... +

图五

三、总结

分析完这简单的代码后，我们进行一些小小的总结。

1、我们体会一些x86是如何使用堆栈的。堆栈是个动态的空间，在运行的过程中，其中保存的内容主要有两种：局部变量和堆栈转移时保存的指针（寄存器的值）。

2、esp是栈顶指针，pop和push操作将会自动调整esp的值，其他操作，除非esp作为算术运算的结果寄存器外，esp不会改变。个人觉得这里堆
栈称之为堆栈有一点点不合理，因为对堆栈的操作并不是完全的pop/push操作的集合，更多的时候是直接通过地址来取数。发生函数调用
时，4(%esp)是第一个参数，8(%esp)是第二个参数，依此类推，注意，这里加的4，是隐含指令push
%eip导致的。push的操作，首先将esp向低地址方向移动4位，然后在这个单元里存入数据；pop的操作，现从esp所指向的单元里取出数据到指定
寄存器，然后将esp向高地址方向移动4位。

3、一个代码段（这里一个函数就是一个代码段）运行时使用堆栈空间中连续的空间，ebp总是指向当前运行中的函数的堆栈空间的第一个位置，也就是基地址的
意思。一个代码段在存取自己所使用的数据时总是通过ebp来索引，而获取参数总是通过esp索引。所以在进入一个函数时，必须保存ebp的值，然后将
ebp指向自己的数据其实地址，在退出函数时，恢复ebp的值，使调用它的函数在它返回后能继续正常运行。在main函数开始时改变了esp的值，所以改
变之前也需要备份esp的值。

4、函数返回值默认存放在eax寄存器中。
5、寻址方法：

立即数寻址：$num，num为数值，也就是字面数值

寄存器寻址：%reg，reg为任一寄存器，取出%reg中保存的值

寄存器间址：disp(base, index, scale)，取出 (disp+base+index*scale) 所表示的内存单元中保存的内容。disp, index, scale都可以省略。

6、main函数中为何要按16字节对齐esp？Linux下面GCC默认的堆栈是16字节对齐的，而这样对齐是为了加快CPU访问效率。这里，不对esp进行16字节对齐并不会影响程序的正确执行。具体的解释参见瀚海xhacker的文章：

http://202.38.64.3/cgi/bbscon?bn=ASM&fn=M47918B7C&num=2388

7、25 pushl -4(%ecx)的作用。（以下解释摘自瀚海foxman和xhacker的帖子）

*** foxman ***

一般来说这不是必需的，当进入一个函数之后，堆栈是这样的

|返回地址 |
|old_ebp | <- ebp
| var1 |
| var2 |
| var3 |

也就是说在一个函数内部，是根据(ebp+4)来找到这个函数返回地址的。

不过对于main函数，进入之后需要堆栈16字节对齐(即andl $-16, %esp)，这样就在原
来的main返回地址，与old_ebp之间插入了一些padding字节。为了还能ebp找到main的返
回地址，所以这儿再一次将main的返回地址入栈pushl -4(%ecx)，在栈里放置在old_ebp
上方，如下：

| main返回地址 |
| 填充 |
| 填充 |
| main返回地址 |
| old_ebp | <- ebp
| ... |

一般gcc就是这么做的。 这么做主要是为了gcc扩展__builtin_return_address.

__builtin_return_address(LEVEL) 返回当前函数或其调用者的返回地址，参数LEVEL
指定在栈上搜索框架的个数，0 表示当前函数的返回地址，1 表示当前函数的调用
者所在函数的返回地址，依此类推。

这就是根据%ebp来找到返回地址的。

为了能使用__builtin_return_address(0)，就需要在push %ebp之前将main返回地
址入栈。如果你不用它，那就没什么问题

*** xhacker ***

另外再加上这个gcc的这个参数
-mpreferred-stack-boundary=x
x＝2，3，4 etc，表示栈要2^x字节对齐

cc -mpreferred-stack-boundary=2 -S aa.c
可以看出此时没有那句push -4(%ecx)了，说明正是因为main的对齐，而为了仍然支持
__builtin_return_address扩展加上这条push指令了

***************

四、编译器优化后的代码

gcc -O3 -S -ohello_O3.s hello.c输出文件：

/* file: hello_O3.s */

1 .file "hello.c"

2 .text

3 .p2align 4,,15

4 .globl add

5 .type add, @function

6 add:

7 pushl %ebp

8 movl %esp, %ebp

9 movl 12(%ebp), %eax

10 addl 8(%ebp), %eax

11 popl %ebp

12 ret

13 .size add, .-add

14 .section .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1

15 .LC0:

16 .string "a+b=%d/n"

17 .LC1:

18 .string "Hello World!"

19 .text

20 .p2align 4,,15

21 .globl main

22 .type main, @function

23 main:

24 leal 4(%esp), %ecx

25 andl $-16, %esp

26 pushl -4(%ecx)

27 pushl %ebp

28 movl %esp, %ebp

29 pushl %ecx

30 subl $20, %esp

31 movl $7, 8(%esp)

32 movl $.LC0, 4(%esp)

33 movl $1, (%esp)

34 call __printf_chk

35 movl $.LC1, (%esp)

36 call puts

37 addl $20, %esp

38 xorl %eax, %eax

39 popl %ecx

40 popl %ebp

41 leal -4(%ecx), %esp

42 ret

43 .size main, .-main

44 .ident "GCC: (Ubuntu 4.3.2-1ubuntu12) 4.3.2"

45 .section .note.GNU-stack,"",@progbits

从代码中，我们看到add函数虽然得到了相应的代码，但并没有被调用，而c=a+b则直接在编译时计算出了其值：7！其它地方并没有太多的优化。函数调用时相应的保存寄存器状态/返回时恢复等结构化的操作都没有改变。

五、进一步讨论

main函数的参数argc,argv是如何传递的？看下面的代码：

/* t.c */

1 #include <stdio.h>

2

3 int main(int argc, char **argv){

4 char *c;

5 if(argc == 1)

6 return 1;

7 else{

8 c = argv[1];

9 puts(c);

10 }

11 return 0;

12 }

13

gcc -S -ot.s t.c的输出文件：

/* g.s */

1 .file "hello.c"

2 .text

3 .globl main

4 .type main, @function

5 main:

6 leal 4(%esp), %ecx

7 andl $-16, %esp

8 pushl -4(%ecx)

9 pushl %ebp

10 movl %esp, %ebp

11 pushl %ecx

12 subl $36, %esp

13 movl %ecx, -28(%ebp)

14 movl -28(%ebp), %eax

15 cmpl $1, (%eax)

16 jne .L2

17 movl $1, -24(%ebp)

18 jmp .L3

19 .L2:

20 movl -28(%ebp), %edx

21 movl 4(%edx), %eax

22 addl $4, %eax

23 movl (%eax), %eax

24 movl %eax, -8(%ebp)

25 movl -8(%ebp), %eax

26 movl %eax, (%esp)

27 call puts

28 movl $0, -24(%ebp)

29 .L3:

30 movl -24(%ebp), %eax

31 addl $36, %esp

32 popl %ecx

33 popl %ebp

34 leal -4(%ecx), %esp

35 ret

36 .size main, .-main

37 .ident "GCC: (Ubuntu 4.3.2-1ubuntu12) 4.3.2"

38 .section .note.GNU-stack,"",@progbits

这里面，第6~12行与之前相同，备份寄存器，移动esp，为代码段预留数据空间。执行完这一段后，这里，%ecx是一个“指针”，指向%esp+4的位置，也就是存放argc的位置。（注意，这里的指针不完全同于C语言中指针的概念，这里的指针是指某寄存器的值是一个内存单元的地址，C语言中，指针是指某变量的值是一个内存单元的地址。）

13 movl %ecx, -28(%ebp)

将ecx这个“指针”复制到堆栈。

14 movl -28(%ebp), %eax

再把这个“指针”加载到寄存器。

15 cmpl $1, (%eax)

注意，因为%eax中存放的是“指针”，所以这里有括号。(%eax)即为初始时刻的4(%esp)。

16 jne .L2

比较，如果argc!=1，跳转到.L2处。

17 movl $1, -24(%ebp)

18 jmp .L3

如果相等，将main函数欲返回的值存到堆栈中，并且跳转到.L3。

下面看.L2的内容：

20 movl -28(%ebp), %edx

注意，这里-28(%ebp)是指向存放argc单元的“指针”。

21 movl 4(%edx), %eax

再将这个指针向上移动4字节，取出其中的值，即为argv的地址，更准确的说是argv[0]的地址。argv在C语言中是char**型指针。也就是说，%eax-->argv[0]，(%eax)==argv[0]

22 addl $4, %eax
%eax(argv[0]的地址)是一个内存地址，加4后就变成argv[1]的地址。(%eax)==argv[1]

23 movl (%eax), %eax
再将这个地址的内容加载到%eax，此时%eax=argv[1]。

24 movl %eax, -8(%ebp)
注意，这里%eax外面没有括号，所以复制的是argv[1]，也就是一个char*型的参数。

25 movl -8(%ebp), %eax
将参数加载到寄存器，这句话有些冗余，优化后会被去除。

26 movl %eax, (%esp)
为puts准备参数。

27 call puts

28 movl $0, -24(%ebp)
从puts返回后，准备该分支main函数的返回值，0。可以看到，保存这个返回值的地方同17行。这样，无论从哪个分支出来，都可以直接返回-24(%ebp)的内容。
L3则是函数的一些扫尾工作，不需要再分析了。

六、实践

使用工具Insight跟踪运行hello和t两个文件（gcc -g -o hello
hello.s，注意加上-g参数，可以保留汇编代码中的符号信息），观察call语句时push入栈的eip，观察数据段、代码段、堆栈段的地址，观察
各寄存器值的变化，体会几种寻址方法。