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简明x86汇编语言教程(六)

原创:司徒彦南

4.0 利用子程序与中断

已经掌握了汇编语言?没错,你现在已经可以去破译别人代码中的秘密。然而,我们还有一件重要的东西没有提到,那就是自程序和中断。这两件东西是如此的重要,以至于你的程序几乎不可能离开它们。

4.1 子程序

在高级语言中我们经常要用到子程序。高级语言中,子程序是如此的神奇,我们能够定义和主程序,或其他子程序一样的变量名,而访问不同的变量,并且,还不和程序的其他部分相冲突。

然而遗憾的是,这种“优势”在汇编语言中是不存在的。

汇编语言并不注重如何减轻程序员的负担;相反,汇编语言依赖程序员的良好设计,以期发挥CPU的最佳性能。汇编语言不是结构化的语言,因此,它不提供直接的“局部变量”。如果需要“局部变量”,只能通过堆或栈自行实现。

从这个意义上讲,汇编语言的子程序更像GWBASIC中的GOSUB调用的那些“子程序”。所有的“变量”(本质上,属于进程的内存和寄存器)为整个程序所共享,高级语言编译器所做的,将局部变量放到堆或栈中的操作,只能自行实现。

参数的传递是靠寄存器和堆栈来完成的。高级语言中,子程序(函数、过程,或类似概念的东西)依赖于堆和栈来传递。

让我们来简单地分析一下一般高级语言的子程序的执行过程。无论C、C++、BASIC、Pascal,这一部分基本都是一致的。


  • 调用者将子程序执行完成时应返回的地址、参数压入堆栈
  • 子程序使用BP指针+偏移量对栈中的参数寻址,并取出、完成操作
  • 子程序使用RET或RETF指令返回。此时,CPU将IP置为堆栈中保存的地址,并继续予以执行

毋庸置疑,堆栈在整个过程中发挥着非常重要的作用。不过,本质上对子程序最重要的还是返回地址。如果子程序不知道这个地址,那么系统将会崩溃。

调用子程序的指令是CALL,对应的返回指令是RET。此外,还有一组指令,即ENTER和LEAVE,它们可以帮助进行堆栈的维护。

CALL指令的参数是被调用子程序的地址。使用宏汇编的时候,这通常是一个标号。CALL和RET,以及ENTER和LEAVE配对,可以实现对于堆栈的自动操作,而不需要程序员进行PUSH/POP,以及跳转的操作,从而提高了效率。

作为一个编译器的实现实例,我用Visual C++编译了一段C++程序代码,这段汇编代码是使用特定的编译选项得到的结果,正常的RELEASE代码会比它精简得多。包含源代码的部分反汇编结果如下(取自Visual C++调试器的运行结果,我删除了10条int 3指令,并加上了一些注释,除此之外,没有做任何修改):

1: int myTransform(int nInput){
00401000 push ebp                   ; 保护现场原先的EBP指针
00401001 mov ebp,esp
2: return (nInput*2 + 3) % 7;
00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取参数
00401006 lea eax,[eax+eax+3]        ; LEA比ADD加法更快
0040100A cdq                        ; DWORD->QWORD(扩展字长)
0040100B mov ecx,7                  ; 除数
00401010 idiv eax,ecx               ; 除
00401012 mov eax,edx                ; 商->eax(eax中保存返回值)
3: }
00401014 pop ebp                    ; 恢复现场的ebp指针
00401015 ret                        ; 返回
; 此处删除10条int 3指令,它们是方便调试用的,并不影响程序行为。

4:
5:
int main(int argc, char* argv[])
6: {
00401020 push ebp                   ; 保护现场原先的EBP指针
00401021 mov ebp,esp
00401023 sub esp,10h                ; 为取argc, argv修正堆栈指针。
7:int a[3];
8:for(register int i=0; i<3; i++){
00401026 mov dword ptr [i],0        ; 0->i
0040102D jmp main+18h (00401038)    ; 判断循环条件
0040102F mov eax,dword ptr [i]      ; i->eax
00401032 add eax,1                  ; eax ++
00401035 mov dword ptr [i],eax      ; eax->i
00401038 cmp dword ptr [i],3        ; 循环条件: i与3比较
0040103C jge main+33h (00401053)    ; 如果不符合条件,则应结束循环
9: a[i] = myTransform(i);
0040103E mov ecx,dword ptr [i]      ; i->ecx
00401041 push ecx                   ; ecx (i) -> 堆栈
00401042 call myTransform (00401000); 调用myTransform
00401047 add esp,4                  ; esp+=4: 在堆中的新单元
                                    ; 准备存放返回结果
0040104A mov edx,dword ptr [i]      ; i->edx
0040104D mov dword ptr a[edx*4],eax ; 将eax(myTransform返回值)
                                    ; 放回a[i]
10: }
00401051 jmp main+0Fh (0040102f)    ; 计算i++,并继续循环
11:return 0;
00401053 xor eax,eax                ; 返回值应该是0
12: }
00401055 mov esp,ebp                ; 恢复堆栈指针
00401057 pop ebp                    ; 恢复BP
00401058 ret                        ; 返回调用者(C++运行环境)

上述代码确实做了一些无用功,当然,这是因为编译器没有对这段代码进行优化。让我们来关注一下这段代码中,是如何调用子程序的。不考虑myTransform这个函数实际进行的数值运算,最让我感兴趣的是这一行代码:

00401003 mov eax,dword ptr [nInput] ; 取参数

这里nInput是一个简简单单的变量符号吗?Visual C++的调试器显然不能告诉我们答案——它的设计目标是为了方便程序调试,而不是向你揭示编译器生成的代码的实际构造。我用另外一个反汇编器得到的结果是:

00401003 mov eax,dword ptr [ebp+8]   ; 取参数

这和我们在main()中看到的压栈顺序是完全吻合的(注意,程序运行到这个地方的时候,EBP=ESP)。main()最终将i的通过堆栈传递给了myTransform()。

剖析上面的程序只是说明了我前面所提到的子程序的一部分用法。对于汇编语言来说,完全没有必要拘泥于结构化程序设计的框架(在今天,使用汇编的主要目的在于提高执行效率,而不是方便程序的维护和调试,因为汇编不可能在这一点上做得比C++更好)。考虑下面的程序:

void myTransform1(int nCount, char* sBytes){
  for(register int i=1; i<nCount; i++)
    sBytes[i] += sBytes[i-1];
  for(i=0; i<nCount; i++)
    sBytes[i] <<= 1;
}

void myTransform2(int nCount, char* sBytes){
  for(register int i=0; i<nCount; i++)
    sBytes[i] <<= 1;
}

很容易看出,这两个函数包含了公共部分,即

  for(i=0; i<nCount; i++)
    sBytes[i] <<= 1;

目前,还没有编译器能够做到将这两部分合并。依然沿用刚才的编译选项,得到的反汇编结果是(同样地删除了int 3):

1:void myTransform1(int nCount, char* sBytes){
00401000 push ebp
00401001 mov ebp,esp
00401003 push ecx
2:for(register int i=1; i<nCount; i++)
00401004 mov dword ptr [i],1
0040100B jmp myTransform1+16h (00401016)
0040100D mov eax,dword ptr [i]
00401010 add eax,1
00401013 mov dword ptr [i],eax
00401016 mov ecx,dword ptr [i]
00401019 cmp ecx,dword ptr [nCount]
0040101C jge myTransform1+3Dh (0040103d)
3: sBytes[i] += sBytes[i-1];
0040101E mov edx,dword ptr [sBytes]
00401021 add edx,dword ptr [i]
00401024 movsx eax,byte ptr [edx-1]
00401028 mov ecx,dword ptr [sBytes]
0040102B add ecx,dword ptr [i]
0040102E movsx edx,byte ptr [ecx]
00401031 add edx,eax
00401033 mov eax,dword ptr [sBytes]
00401036 add eax,dword ptr [i]
00401039 mov byte ptr [eax],dl
0040103B jmp myTransform1+0Dh (0040100d)
4:for(i=0; i<nCount; i++)
0040103D mov dword ptr [i],0
00401044 jmp myTransform1+4Fh (0040104f)
00401046 mov ecx,dword ptr [i]
00401049 add ecx,1
0040104C mov dword ptr [i],ecx
0040104F mov edx,dword ptr [i]
00401052 cmp edx,dword ptr [nCount]
00401055 jge myTransform1+6Bh (0040106b)
5: sBytes[i] <<= 1;
00401057 mov eax,dword ptr [sBytes]
0040105A add eax,dword ptr [i]
0040105D mov cl,byte ptr [eax]
0040105F shl cl,1
00401061 mov edx,dword ptr [sBytes]
00401064 add edx,dword ptr [i]
00401067 mov byte ptr [edx],cl
00401069 jmp myTransform1+46h (00401046)
6: }
0040106B mov esp,ebp
0040106D pop ebp
0040106E ret
7:
8:void myTransform2(int nCount, char* sBytes){
00401070 push ebp
00401071 mov ebp,esp
00401073 push ecx
9:for(register int i=0; i<nCount; i++)
00401074 mov dword ptr [i],0
0040107B jmp myTransform2+16h (00401086)
0040107D mov eax,dword ptr [i]
00401080 add eax,1
00401083 mov dword ptr [i],eax
00401086 mov ecx,dword ptr [i]
00401089 cmp ecx,dword ptr [nCount]
0040108C jge myTransform2+32h (004010a2)
10: sBytes[i] <<= 1;
0040108E mov edx,dword ptr [sBytes]
00401091 add edx,dword ptr [i]
00401094 mov al,byte ptr [edx]
00401096 shl al,1
00401098 mov ecx,dword ptr [sBytes]
0040109B add ecx,dword ptr [i]
0040109E mov byte ptr [ecx],al
004010A0 jmp myTransform2+0Dh (0040107d)
11: }
004010A2 mov esp,ebp
004010A4 pop ebp
004010A5 ret
12:
13:
int main(int argc, char* argv[])
14: {
004010B0 push ebp
004010B1 mov ebp,esp
004010B3 sub esp,0CCh
15:char a[200];
16:for(register int i=0; i<200; i++)a[i]=i;
004010B9 mov dword ptr [i],0
004010C3 jmp main+24h (004010d4)
004010C5 mov eax,dword ptr [i]
004010CB add eax,1
004010CE mov dword ptr [i],eax
004010D4 cmp dword ptr [i],0C8h
004010DE jge main+45h (004010f5)
004010E0 mov ecx,dword ptr [i]
004010E6 mov dl,byte ptr [i]
004010EC mov byte ptr a[ecx],dl
004010F3 jmp main+15h (004010c5)
17: myTransform1(200, a);
004010F5 lea eax,[a]
004010FB push eax
004010FC push 0C8h
00401101 call myTransform1 (00401000)
00401106 add esp,8
18: myTransform2(200, a);
00401109 lea ecx,[a]
0040110F push ecx
00401110 push 0C8h
00401115 call myTransform2 (00401070)
0040111A add esp,8
19:return 0;
0040111D xor eax,eax
20: }
0040111F mov esp,ebp
00401121 pop ebp
00401122 ret

非常明显地,0040103d-0040106e和00401074-004010a5这两段代码存在少量的差别,但很显然只是对寄存器的偏好不同(编译器在优化时,这可能会减少堆栈操作,从而提高性能,但在这里只是使用了不同的寄存器而已)

对代码进行合并的好处是非常明显的。新的操作系统往往使用页式内存管理。当内存不足时,程序往往会频繁引发页面失效(Page faults),从而引发操作系统从磁盘中读取一些东西。磁盘的速度赶不上内存的速度,因此,这一行为将导致性能的下降。通过合并一部分代码,可以减少程序的大小,这意味着减少页面失效的可能性,从而软件的性能会有所提高?/p>

当然,这样做的代价也不算低——你的程序将变得难懂,并且难于维护。因此,再进行这样的优化之前,一定要注意:


  • 优化前的程序必须是正确的。如果你不能确保这一点,那么这种优化必将给你的调试带来极大的麻烦。
  • 优化前的程序实现最好是最优的。仔细检查你的设计,看看是否已经使用了最合适(即,对于此程序而言最优)的算法,并且已经在高级语言许可的范围内进行了最好的实现。
  • 优化最好能够非常有效地减少程序大小(例如,如果只是减少十几个字节,恐怕就没什么必要了),或非常有效地提高程序的运行速度(如果代码只是运行一次,并且只是节省几个时钟周期,那么在多数场合都没有意义)。否则,这种优化将得不偿失。

4.2 中断

中断应该说是一个陈旧的话题。在新的系统中,它的作用正在逐渐被削弱,而变成操作系统专用的东西。并不是所有的计算机系统都提供中断,然而在x86系统中,它的作用是不可替代的。

中断实际上是一类特殊的子程序。它通常由系统调用,以响应突发事件。

例如,进行磁盘操作时,为了提高性能,可能会使用DMA方式进行操作。CPU向DMA控制器发出指令,要求外设和内存直接交换数据,而不通过CPU。然后,CPU转去进行起他的操作;当数据交换结束时,CPU可能需要进行一些后续操作,但此时它如何才能知道DMA已经完成了操作呢?

很显然不是依靠CPU去查询状态——这样DMA的优势就不明显了。为了尽可能地利用DMA的优势,在完成DMA操作的时候,DMA会告诉CPU“这事儿我办完了”,然后CPU会根据需要进行处理。

这种处理可能很复杂,需要若干条指令来完成。子程序是一个不错的主意,不过,CALL指令需要指定地址,让外设强迫CPU执行一条CALL指令也违背了CPU作为核心控制单元的设计初衷。考虑到这些,在x86系统中引入了中断向量的概念。

中断向量表是保存在系统数据区(实模式下,是0:0开始的一段区域)的一组指针。这组指针指向每一个中断服务程序的地址。整个中断向量表的结构是一个线性表。

每一个中断服务有自己的唯一的编号,我们通常称之为中断号。每一个中断号对应中断向量表中的一项,也就是一个中断向量。外设向CPU发出中断请求,而CPU自己将根据当前的程序状态决定是否中断当前程序并调用相应的中断服务。

不难根据造成中断的原因将中断分为两类:硬件中断和软件中断。硬件中断有很多分类方法,如根据是否可以屏蔽分类、根据优先级高低分类,等等。考虑到这些分类并不一定科学,并且对于我们介绍中断的使用没有太大的帮助,因此我并不打算太详细地介绍它(在本教程的高级篇中,关于加密解密的部分会提到某些硬件中断的利用,但那是后话)。

在设计操作系统时,中断向量的概念曾经带来过很大的便利。操作系统随时可能升级,这样,通过CALL来调用操作系统的服务(如果说每个程序都包含对于文件系统、进程表这些应该由操作系统管理的数据的直接操作的话,不仅会造成程序的臃肿,而且不利于系统的安全)就显得不太合适了——没人能知道,以后的操作系统的服务程序入口点会不会是那儿。软件中断的存在为解决这个问题提供了方便。

对于一台包含了BIOS的计算机来说,启动的时候系统已经提供了一部分服务,例如显示服务。无论你的BIOS、显示卡有多么的“个性”,只要他们和IBM PC兼容,那么此时你肯定可以通过调用16(10h)号中断来使用显示服务。调用中断的指令是


int 中断号
  

这将引发CPU去调用一个中断。CPU将保存当前的程序状态字,清除Trap和Interrupt两个标志,将即将执行的指令地址压入堆栈,并调用中断服务(根据中断向量表)。

编写中断服务程序不是一件容易的事情。很多时候,中断服务程序必须写成可重入代码(或纯代码,pure code)。所谓可重入代码是指,程序的运行过程中可以被打断,并由开始处再次执行,并且在合理的范围内(多次重入,而不造成堆栈溢出等其他问题),程序可以在被打断处继续执行,并且执行结果不受影响。

由于在多线程环境中等其他一些地方进行程序设计时也需要考虑这个因素,因此这里着重讲一下可重入代码的编写。

可重入代码最主要的要求就是,程序不应使用某个指定的内存地址的内存(对于高级语言来说,这通常是全局变量,或对象的成员)。如果可能的话,应使用寄存器,或其他方式来解决。如果不能做到这一点,则必须在开始、结束的时候分别禁止和启用中断,并且,运行时间不能太长。

下面用C语言分别举一个可重入函数,和两个非可重入函数的例子(注. 这些例子应该是在某本多线程或操作系统的书上看到的,遗憾的是我想不起来是哪本书了,在这里先感谢那位作者提供的范例):

可重入函数:

void strcpy(char* lpszDest, char* lpszSrc){
  while(*dest++=*src++);
  *dest=0;
}

非可重入函数

char cTemp;                                   // 全局变量

void SwapChar(char* lpcX, char* lpcY){
  cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了全局变量,在分享内存的多个线程中可能造成问题
}

非可重入函数

void SwapChar2(char* lpcX, char* lpcY){
  static char cTemp;                          // 静态变量
  cTemp = *lpcX; *lpcX = *lpcY; lpcY = cTemp; // 引用了静态变量,在分享内存的多个线程中可能造成问题
}

中断利用的是系统的栈。栈操作是可重入的(因为栈可以保证“先进后出”),因此,我们并不需要考虑栈操作的重入问题。使用宏汇编器写出可重入的汇编代码需要注意一些问题。简单地说,干脆不要用标号作为变量是一个不错的主意。

使用高级语言编写可重入程序相对来讲轻松一些。把持住不访问那些全局(或当前对象的)变量,不使用静态局部变量,坚持只适用局部变量,写出的程序就将是可重入的。

书归正传,调用软件中断时,通常都是通过寄存器传进、传出参数。这意味着你的int指令周围也许会存在一些“帮手”,比如下面的代码:

mov ax, 4c00h
int 21h

就是通过调用DOS中断服务返回父进程,并带回错误反馈码0。其中,ax中的数据4c00h就是传递给DOS中断服务的参数。

到这里,x86汇编语言的基础部分就基本上讲完了,《简明x86汇编语言教程》的初级篇——汇编语言基础也就到此告一段落。当然,目前为止,我只是蜻蜓点水一般提到了一些学习x86汇编语言中我认为需要注意的重要概念。许多东西,包括全部汇编语句的时序特性(指令执行周期数,以及指令周期中各个阶段的节拍数等)、功能、参数等等,限于个人水平和篇幅我都没有作详细介绍。如果您对这些内容感兴趣,请参考Intel和AMD两大CPU供应商网站上提供的开发人员参考。

在以后的简明x86汇编语言教程中级篇和高级篇中,我将着重介绍汇编语言的调试技术、优化,以及一些具体的应用技巧,包括反跟踪、反反跟踪、加密解密、病毒与反病毒等等。

posted on 2006-11-06 10:36 编程之道 阅读(228) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 开发相关ASM


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