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通过汇编一个简单的C程序,分析汇编代码理解计算机是如何工作的

计算机的工作方式:

现代计算机的基本体系结构都是采用冯诺依曼结构,冯诺依曼的设计思想最重要之处是"存储程序"的这个概念。计算机的工作过程,就是执行程序的过程。首先编写需要执行的程序,然后通过输入设备送到存储器保存起来,即程序存储。根据冯诺依曼的设计,计算机应能自动执行程序,而执行程序又归结为逐条执行指令。执行一条指令又可分为以下4个基本操作:取出指令:从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存。

分析指令:把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器,译出该指令对应的微操作。

执行指令:根据指令译码,向各个部件发出相应控制信号,完成指令规定的各种操作。

为执行下一条指令作好准备,即取出下一条指令地址。

接下来通过一个简单的c程序来分析一下,程序的执行过程

这里是一个非常简单的c程序,源代码如下:

ae6167ff4cb52213ca13f37b3445de03.png

输入:gcc S o main.s main.c m32 来生成汇编代码

整洁一下汇编代码以后,查看汇编代码:

108cc96f8dc8072581974f6d37f3a85c.png

我在我的虚拟机中的ubuntu系统与实验楼ubuntu系统的汇编代码有点不一样

6992331c4bdde1147cb1a8f1b79ed7f8.png

c97f27296b27a3eab54e3b636f91323f.png

下面通过gdb单步执行来分析栈上寄存器的情况:

首先我们从main函数开始。(前两条语句在gdb执行时设置不了断点,但是执行函数的语句都有这2条,放到其他函数来说明):

在main函数上先设置一个断点,然后运行:

886ba10a5751e1df4a4b975009074a0e.png

此时查看寄存器的值:

90413433ac7eb4d928e57c1ba9621d1a.png

他们的值:esp和ebp都是0xbffff568,eip是0x8048409(正好是下一条要执行的指令的地址)

接下来继续执行:

9b8596fe4b0f10b42c46b28efadcfc0e.png

把2压到栈上

56f0528a6a6825ba7b31839423cc89f5.png

40dc9c3c9795737d9715224ac5645226.png

此时,esp的减4了,而ebp不变,eip继续指向下一条指令

下一条要执行call指令,这里再对函数f设置一个断点,继续执行:

afc349859f45b4febfa0a12051c3a994.png

此时,程序跳到函数f中去了

call  f

调用函数 f,其实这条指令等价于

pushl %eip

movl  $f, %eip

eip的值被保存在esp-4的位置上,保存eip的目的是函数调用返回时能够继续执行call f下面的语句:

cbcbdf8ee270321f5c3fee4944fece1c.png

此时,esp的值为0xbffff560,ebp都是0xbffff568

跳转到函数f后,前两条语句和 main 函数相同,都是保存堆栈状态,这里详细来说明一下:

先把ebp的值保存咋esp-4的位置上

3abf0c4cc8e97e8bc3d52983b7d38aae.png

再把esp的值赋给sbp,此时esp和ebp的值都为0xbffff55c

436da4d160ba8a01f16d802de804af18.png

然后继续执行,把ebp+8的内容即2这个值压栈:

588b53a7096b99025c73c5c45603988f.png

此时esp继续-4

1a0a4ee0fb8404a33ba3111897d92d54.png

查看寄存器的值

604bbc794c6a200bbae5b5279e12aa23.png

寄存器的值:esp的值为0xbffff558,ebp的值为0xbffff55c,

接下来要跳转到函数g了,因此再对函数g设置一个断点,然后继续执行:

628610b87e2503a0059db588b281d4b5.png

观察寄存器的值:

317816ba5ab297255c5b2b7582d83190.png

同理:寄存器eip的值继续被保存了在esp-4的位置上,以便能够返回到函数f

34cf00bb97c7bb38a693b3e61fd51596.png

进入g函数老的ebp的值也被保存了,新的esp和ebp相同

2dc767f39af40e9f3139088683e83005.png

此时,esp和ebp的值都是0xbffff550

接下来继续执行,把ebp+8的值给eax

034a6a0df6abb46a790de68d70553042.png

查看寄存器,此时esp和ebp的值都是0xbffff550,eax的值是2

86d8989fb7536445983642f1445f580d.png

继续执行:

3a21db9510258ef8054d6668c76b91ec.png

把3和eax的值相加结果再保存到eax中

查看寄存器

54ea0edcb1f345612b52f60af51d787f.png

寄存器eax的值变成5了,esp和ebp的值都是0xbffff550

然后继续执行:

ac998cefd695d3beefdb7c4ce55c2886.png

把esp指向的值给ebp,查看寄存器

10ca44431e7465c5c523897279c83ada.png

寄存器的值:esp的值为0xbffff554,ebp的值0xbffff55c,eax还是5

然后继续执行:

ed696eace9cf38d71a8391d6427dd519.png

指令ret相当于指令popl %eip

b4df7d8359fa4476e676a5dd15dc4d44.png

esp的值为0xbffff558,ebp的值0xbffff55c,eax还是5

这样又返回到函数f继续执行:

aa07bad4a292a71b4a6d4aad0fd0343d.png

继续执行,然后查看寄存器:

051e9c080cde60c1aad0e21dd51b5364.png

Esp和ebp的值都是0xbffff55c,eax还是5

继续执行,leave,这条指令相当于下面两条指令:

movl  %ebp, %esp

popl  %ebp

查看寄存器

ce8cb4231557f90eccda819929abaa23.png

esp的值为0xbffff560,ebp的值0xbffff568,eax还是5

继续执行ret,弹出保存的eip的值,返回到main函数执行:

f85ecb1e0e87f5ba989c3b1164965f3a.png

查看寄存器的值,esp的值为0xbffff564,ebp的值0xbffff568,eax还是5

98eb8bc9e502b09ebe1005a9248e72ad.png

连续执行2步,继续执行

9f85a7b59a58cfaca5d3c271ef1ad8a9.png

此时eax的值变成了6,esp和ebp的值0xbffff568

12de514440cfa16420b5f3ea512670af.png

然后继续执行2步,main函数就返回了

055d7118327f58942bfdce3e7ca8c6af.png

总结

通过分析对应的汇编代码和观察运行栈的变化,加深了对程序执行过程的了解,也明白了计算机的工作方式:根据eip 指指令执行,同时eip自增;

如果执行的是跳转语句时,先把eip压栈,然后将需要跳转的目的地址赋给 eip,实现跳转;

若执行函数调用时,将 eip 压栈,同时将ebp压栈,然后将相应函数地址赋给 eip;

若为其他指令,则继续从 eip 指向的地址取指令执行。

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