gcc 对整型和浮点型参数传递的汇编码生成特点分析张昱 1. 相关资料关于浮点数 (Floating-point) 的存储表示 : 浮点数的存储目前广泛采用 IEEE 754 标准 (1980 年 Intel 提出, 1985 年被 IEEE 采纳,

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敌赡范
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1 gcc 对整型和浮点型参数传递的汇编码生成特点分析张昱 1. 相关资料关于浮点数 (Floating-point) 的存储表示 : 浮点数的存储目前广泛采用 IEEE 754 标准 (1980 年 Intel 提出, 1985 年被 IEEE 采纳, ) 32 位单精度 :Bit 31 是符号位,Bits 30~23 是指数部分,Bits22~0 是尾数部分, 即有效数字部分 64 位双精度 :Bit 63 是符号位,Bits 62~52 是指数部分,Bits51~0 是尾数部分, 即有效数字部分关于 x87 FPU 编程 : x87 FPU(Floating-Point Unit) 能为图形处理科学计算等提供高性能的浮点处理能力它支持浮点数整数和紧致 BCD 整数数据类型, 支持 IEEE 754 标准中为二进制浮点运算定义的浮点处理算法和异常处理体系有关 x87 FPU 编程可参阅 : IA32 Intel Architecture Software Developer's Manual, Intel Corporation, V1: Basic Architecture Chapter 8 Programming with the x87 FPU x87 FPU 数据寄存器 : 有 8 个 80 位的数据寄存器, 编号为 0~7 80 位中 Bit79 是符号位,Bits78-64 是指数位,Bits63-0 是存放有效数字 x87 FPU 指令将这 8 个寄存器看成一个寄存器栈汇编器允许用 ST(0) 或 ST 来表示当前的栈顶, ST(i) 表示相对于栈顶的第 i 个寄存器 x87 FPU 数据寄存器的内容不受过程调用影响正在调用的过程可以使用 x87 FPU 数据寄存器在过程之间传递参数, 被调用的过程可以引用通过寄存器栈传递过来的参数 ; 被调用过程也可以将返回值存入 ST(0), 再将控制转移给调用者 x87 FPU 状态寄存器 : 有 1 个 16 位的状态寄存器 Bit15: busy flag; Bits 13-11: 栈顶指针, 取值范围为 0~7, 表示栈顶指向的数据寄存器的编号 ; Bits 14,10-8: 条件码 C3-C0; 关于条件码的解释可以参见 V1: Basic Architecture 的表 8-1 Bit7: ES flag 标记是否有错 ; Bit6: SF flag 标记是否是栈错误 Bits5-0: 是一组异常标志位, 依次为 PE( 精度 ) UE( 下溢 ) OE( 上溢 ) ZE( 除 0) DE( 不规范的操作数 ) IE( 无效操作 ) x87 FPU 状态寄存器可以通过 fstsw/fnstsw fstenv/fnstenv fsave/fnsave 和 fxsave 指令存入内存, 也可以通过 fstsw/fnstsw 存入整数寄存器 eax 的低 16 位 (ax 寄存器 ) 中 x87 FPU 控制字 :16 位 x87 FPU 控制字控制 x87 FPU 的精度和所使用的舍入法 (rounding method) FPU 控制字缓存在控制寄存器中, 可通过 fldcw 指令来加载到控制寄存器, 或通过 fstcw/fnstcw 指令来存入内存 Bits15-13,7-6: 保留位 Bit12: Infinity 无穷大控制位 ; Bits11-10: Rounding 舍入模式控制位 ; 00B-Round to nearest( 向最近的一边舍入 ) 01B-Round down( 向 - 方向舍入 ) 10B-Round up( 向 + 方向舍入 ) 11B-Round toward zero( 向零方向舍入,truncate 截断 )

2 Bits 9-8: Precision 精度控制位 ;00B- 单精度 (24 位 ) 01B- 保留 10B- 双精度 (53 位 ) 11B- 扩展双精度 (64 位 ) Bits5-0: 是一组异常标志位, 依次为 PE( 精度 ) UE( 下溢 ) OE( 上溢 ) ZE( 除 0) DE( 不规范的操作数 ) IE( 无效操作 ) 关于 CFI(Call frame information) directives: 用于描述 CFI directives 是发射.eh_frame section, 还是.debug_frame section 缺省为.cfi_sections.eh_frame 关于 Exception Frames( 在汇编码的.eh_frame section 中 ) 可参见 DWARF Debugging Information Format, Version 4, June 10, Call Frame Information 术语 CFA(Canonical Frame Address): 指调用者栈帧中调用点处的栈指针值 ( 这个值与当前栈帧入口处的栈指针值可能不相同 ) 2. C 源程序 floatarg.c #include <stdio.h> void f(a, b, c) short a; float b; long c; { printf("a(%p)=%d, b(%p)= %f, %x; c(%p)=%ld\n", &a, a, &b, b, (int)b, &c, c); } main() { } f(3, 1.0, 2); 3. 执行结果 a(0xffb6ec4c)=3, b(0xffb6ec40)= , 1; c(0xffb6ec6c)=2

3 4. floatarg.c 对应的 IA32 汇编码和活动记录栈如何产生汇编码 :gcc -m32 -S floatarg.c.lc0: f:.lfb0:.file "floatarg.c".section.rodata # 只读区.align 4 # printf 中使用的格式串.string "a(%p)=%d, b(%p)= %f, %x; c(%p)=%ld\n".text.globl f.type # 代码段 # 函数开始标识, 用于初始化某些内部的数据结构 pushl %ebp # 保存调用者的栈帧基址 -- 控制链.cfi_def_cfa_offset 8.cfi_offset 5, -8 %esp, %ebp # 设置新的栈帧基址 # 修改计算 CFA 所用的偏移,CFA 地址 = 偏移 + 已定义的寄存器 # 寄存器 5 以前的值保存在相对于 CFA 地址偏移为 -8 的位置.cfi_def_cfa_register 5 # 修改计算 CFA 所用的寄存器, 设成 5 pushl %ebx # 保存 ebx 寄存器的值 subl $84, %esp # 分配临时数据区 8(%ebp), %eax # 将调用者传的第 1 个参数 (long,4 字节 ) 保存到 eax 寄存器 fldl 12(%ebp) # 将调用者传的第 2 个参数 (double,8 字节 ) 保存到 FPU 寄存器 movw %ax, -12(%ebp) # 将 eax 的低 16 位保存到 -12(%ebp) 开始的 2 个字节 -- 即 a fstps -16(%ebp) # 从 FPU 寄存器栈取 float 数存入 -16(%ebp) 开始的 4 字节 -- 即 b flds -16(%ebp) # 将 -16(%ebp) 的 float 数加载到 FPU 寄存器 fstps -24(%ebp) # 从 FPU 寄存器栈取 float 数存入 -24(%ebp) 开始的 4 字节 20(%ebp), %ebx # 取调用者传的第 3 个参数 (long,4 字节 ) 存入 ebx-- 形参 c.cfi_offset 3, -12 # 将 FPU 控制字设置成 Round toward zero (truncate, 浮点数向整数值转换 ) 模式, 计算 (int)b; # 再将 FPU 控制字恢复到设置前的状态 flds -24(%ebp) # 加载起址为 -24(%ebp) 的 float 数到 FPU 寄存器 -- 形参 b 的值 fnstcw -18(%ebp) # 将 FPU 控制字保存到 -18(%ebp) 开始的 2 个字节 movzwl -18(%ebp), %eax # 按零扩展方式将 -18(%ebp) 开始的 2 字节数存入 4 字节的 eax movb $12, %ah # 将 12 存入 eax 的低 16 位中的高 8 位, 旨在将 FPU 控制字中的 # 2 个舍入模式控制位设为 11B, 即设为 Round toward zero movw %ax, -20(%ebp) # 将 eax 低 16 位保存的新控制字存入 -20(%ebp) fldcw -20(%ebp) # 将起址为 -20(%ebp) 的 2 字节数加载到 FPU 控制寄存器 # 从而 FPU 的舍入模式设置为 Round toward zero 浮点数转换成整数 fistpl -28(%ebp) # 将 ST(0) 寄存器的值转换成整数, 存入 -28(%ebp)---(int)b

4 fldcw -18(%ebp) # 将 -18(%ebp) 保存的原控制字加载到 FPU 控制寄存器 # 即恢复到原来的 FPU 控制字 -28(%ebp), %ecx # 将 -28(%ebp) 开始的 4 字节存入 ecx---(int)b flds -24(%ebp) # 将 -24(%ebp) 开始的 float 数存入 FPU 寄存器栈 ---- 形参 b 的值 #short 型的 a 作为实参, 需提升到 long 型, 保存到 edx 中 movzwl -12(%ebp), %eax # 按零扩展方式将 -12(%ebp) 开始的 2 字节数 ( 即形参 a) 存入 eax movswl %ax, %edx # 按符号扩展方式将 ax 寄存器的值存入 edx # 以下处理 printf 调用的实参入栈 $.LC0, %eax # 将格式串的起址存入 eax %ebx, 32(%esp) # 将形参 c 的值存入 32(%esp) 第 8 个实参, 即 c leal 20(%ebp), %ebx # 将 20(%ebp)( 即形参 c 的存储单元 ) 的有效地址存入 ebx %ebx, 28(%esp) # 将 ebx 的内容存入 28(%esp) -- 第 7 个实参, 即 &c %ecx, 24(%esp) # 将 ecx 的内容存入 24(%esp) 第 6 个实参, 即 (int)b fstpl 16(%esp) # 按 double 型取 ST(0) 存入 16(%esp) 存入第 5 个实参, 即 b # 提升成 double 型 leal -24(%ebp), %ecx # 将 -24(%ebp) 的有效地址存入 ecx, 即 &b %ecx, 12(%esp) # 存入 12(%esp) -- 第 4 个实参, 即 &b %edx, 8(%esp) # 将 edx 的内容存入 8(%esp) -- 第 3 个实参, 即 a( 提升成 long) leal -12(%ebp), %edx # 将 -12(%ebp) 的有效地址存入 edx, 即 &a %edx, 4(%esp) # 将 edx 的内容存入 4(%esp) --- 第 2 个实参, 即 &a %eax, (%esp) # 将 eax 的内容存入 (%esp) --- 第 1 个实参, 即格式串起址 $.LC0 call printf # 调用 printf # 以下是 f 函数调用返回序列 addl $84, %esp # 回收 84 字节的空间 ( 局部数据和临时数据区 ) popl %ebx # 恢复 ebx 的值.LFE0: main:.lfb1:.cfi_restore 3 # 恢复 CFI 寄存器 3 的值, 使之恢复到函数开始处时的值 popl %ebp # 恢复旧的栈帧基址 ( 即调用者的栈帧基址 ).cfi_def_cfa 4, 4.cfi_restore 5 ret.cfi_endproc.size f,.-f.globl main.type # 由 CFI 寄存器 4 和偏移 4 计算 CFA # 恢复 CFI 寄存器 5 的值, 使之恢复到函数开始处时的值 # 返回到调用者执行 # 函数结束标识

5 .LFE1: pushl %ebp # 保存调用者的栈帧基址.cfi_def_cfa_offset 8.cfi_offset 5, -8 %esp, %ebp # 设置当前活动记录的栈帧基址.cfi_def_cfa_register 5 andl $-16, %esp # 栈顶指针按 subl $16, %esp # 分配 16 字节的临时数据区 $2, 12(%esp) # 2 存入 12(%esp) 开始的 4 个字节 --f 的第 3 个参数 2 fld1 # 1 存入 FPU 寄存器栈 fstpl 4(%esp) # 从 FPU 寄存器取 double 数到 4(%esp) 开始的 8 个字节 # ---f 的第 2 个参数 1.0 $3, (%esp) # 3 存入 (%esp) 开始的 4 个字节 --f 的第 1 个参数 3 call f leave.cfi_restore 5.cfi_def_cfa 4, 4 ret.cfi_endproc.size main,.-main.ident "GCC: (Ubuntu/Linaro ubuntu5) 4.6.3".section.note.GNU-stack,"",@progbits

6 活动记录栈高地址端 ebp 2(4 字节,long) 1.0(8 字节 double) 3(4 字节,long) 返回地址控制链 :main 的 ebp 保存旧 ebx 值 main 的活动记录 f 的活动记录 84 字节的局部和临时数据区 0-8(ebp) 4-12(ebp) 形参 a (short) 8 第 2 个参数 1.0 转换成 float -16(ebp) 12 原 FPU 控制字 -20(ebp) 新 FPU 控制字 ( 扩展双精度 ) -24(ebp) 16 形参 b (float) 20 (int)b -28(ebp) 24 未用存放 f 调 44 用的函数的实 40 参 36(esp) 32(esp) 28(esp) 24(esp) 36 未用 c 的值 52 &c 的值 (int)b 的值 (double)b 的值 16(esp) 12(esp) 8(esp) 4(esp) esp 68 &b 的值 (long)a 的值 &a 的值 $.LC0 的值 84

7 5. 进一步的思考如果将 floatarg.c 略做修改, 即改成 floatarg1.c, 编译产生的汇编码如下面 floatarg1.s 所示, 试自行分析并画出活动记录栈的布局 floatarg1.c #include <stdio.h> void f(a, b, c) short a; float b; long c; { printf("a(%p)=%d, b(%p)= %f, %x; c(%p)=%ld\n", &a, a, &b, b, (int)b, &c, c); } main() { } short a = 3; float b =1.0; long c=2; f(a, b, c); floatarg1.s.file "floatarg1.c".section.rodata.align 4.LC0:.string "a(%p)=%d, b(%p)= %f, %x; c(%p)=%ld\n".text.globl f.type f:.lfb0:.cfi_startproc pushl %ebp.cfi_def_cfa_offset 8

8 .cfi_offset 5, -8 %esp, %ebp.cfi_def_cfa_register 5 pushl subl movw %ebx $68, %esp 8(%ebp), %eax %ax, -12(%ebp) 16(%ebp), %ebx.cfi_offset 3, -12 flds 12(%ebp) fnstcw -10(%ebp) movzwl movb movw fldcw -10(%ebp), %eax $12, %ah %ax, -14(%ebp) -14(%ebp) fistpl -20(%ebp) fldcw flds movzwl -10(%ebp) -20(%ebp), %ecx 12(%ebp) -12(%ebp), %eax movswl %ax, %edx leal fstpl leal leal $.LC0, %eax %ebx, 32(%esp) 16(%ebp), %ebx %ebx, 28(%esp) %ecx, 24(%esp) 16(%esp) 12(%ebp), %ecx %ecx, 12(%esp) %edx, 8(%esp) -12(%ebp), %edx %edx, 4(%esp)

9 %eax, (%esp) call addl popl printf $68, %esp %ebx.cfi_restore 3 popl %ebp.cfi_def_cfa 4, 4.cfi_restore 5 ret.cfi_endproc.lfe0:.size f,.-f.globl main.type main:.lfb1:.cfi_startproc pushl %ebp.cfi_def_cfa_offset 8.cfi_offset 5, -8 %esp, %ebp.cfi_def_cfa_register 5 andl subl movw $-16, %esp $32, %esp $3, 30(%esp) $0x3f800000, %eax %eax, 20(%esp) $2, 24(%esp) movswl 30(%esp), %eax 24(%esp), %edx %edx, 8(%esp) 20(%esp), %edx

10 %edx, 4(%esp) %eax, (%esp) call f leave.cfi_restore 5.cfi_def_cfa 4, 4 ret.cfi_endproc.lfe1:.size main,.-main.ident "GCC: (Ubuntu/Linaro ubuntu5) 4.6.3".section.note.GNU-stack,"",@progbits

11 活动记录栈高地址端 ebp 2(4 字节,long) 1.0(8 字节 double) 3(4 字节,long) 返回地址控制链 :main 的 ebp 保存旧 ebx 值 main 的活动记录 f 的活动记录 84 字节的局部和临时数据区 0-8(ebp) 4-12(ebp) 形参 a (short) 8 第 2 个参数 1.0 转换成 float -16(ebp) 12 原 FPU 控制字 -20(ebp) 新 FPU 控制字 ( 扩展双精度 ) -24(ebp) 16 形参 b (float) 20 (int)b -28(ebp) 24 未用存放 f 调 44 用的函数的实 40 参 36(esp) 32(esp) 28(esp) 24(esp) 36 未用 c 的值 52 &c 的值 (int)b 的值 (double)b 的值 16(esp) 12(esp) 8(esp) 4(esp) esp 68 &b 的值 (long)a 的值 &a 的值 $.LC0 的值 84

Static Enforcement of Security with Types

Static Enforcement of Security with Types 例题 1 一个 C 语言程序及其在 X86/Linux 操作系统上的编译结果如下根据所生成的汇编程序来解释程序中四个变量的存储分配生存期作用域和置初值方式等方面的区别 static long aa = 10; short bb = 20; func( ) { } static long cc = 30; short dd = 40; static long aa = 10; func(

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